Aspetti di design della tecnologia LTE

In un precedente articolo avevamo illustrato una panoramica sulle tendenze di mercato in ambito IoT. In questo articolo invece analizzeremo i requisiti per i vari casi d'uso dell'IoT e di come LTE abbia trovato le soluzioni a queste richieste. La rete cellulare, ed in particolare LTE e ancor più il prossimo 5G, si pongono come alternative ad altre reti non proprietarie, come ad esempio LoRaWAN. Sebbene in competizione tra loro queste due tipologie risultano complementari tra loro con la soluzione LTE rivolta soprattutto alle applicazioni di alto valore, disposte a pagare per una qualità del servizio maggiore.

Introduzione

Il paradigma IoT mira a facilitare l'interazione tra oggetti del mondo reale e tecnologie dell'informazione, offrendo possibilità di analisi e controllo. Ciò permette di offrire servizi in un gran numero di settori differenti come manifattura, sanità, controllo del traffico etc. Ognuno di questi servizi per rispondere a requisiti differenti è dovuto evolvere in accordo con le capacità tecnologiche.

Requisiti generici

Fornire servizi IoT richiede oggetti con una connessione alla rete che sia mobile, flessibile e ubiqua in un modo tale che solo l'accesso radio può fornire. La prima ovvia opzione è stata quella di connettere dispositivi costosi, come autovetture o impianti industriali, per i quali le opportunità di business assumevano un significato rilevante grazie alla disponibilità di energia elettrica e al piccolo costo dei modem comparato al costo complessivo dell'oggetto.

La prima evoluzione della tecnologia MTC aveva l'obiettivo di aumentare il numero di possibili scenari applicativi per mezzo della riduzione del costo dei dispositivi. Ma per la massiccia diffusione di servizi IoT occorrono delle reti a maglia in grado di affrontare le seguenti 4 sfide:

Dispositivi a basso costo, necessari per essere integrati, non solo in singoli modem chip, ma anche con sensori e attuatori in oggetti di uso quotidiano, inclusi gli indossabili.
Sistemi energeticamente efficienti, in grado di permettere la massima autonomia operativa dei dispositivi IoT con ridotte dimensioni della batteria.
Copertura ubiqua nello scenario applicativo.
Scalabilità, considerando l'alto numero di dispositivi che possono essere connessi in uno scenario ultra denso come un centro città.

Per affrontare queste quattro sfide è stato scelto, diversi anni fa, un approccio denominato LPWA (Low Power Wireless Area). L'idea di base è stata quella di fare un passo indietro ad una connettività a stella, incrementando la copertura delle celle per mezzo di nuove tecniche di modulazione per le quali la complessità e le richieste energetiche siano concentrate principalmente nella stazione radio base. Tale approccio a stella fornisce una rete poco costosa poiché non sono necessari nodi coordinatori vicino ai dispositivi finali, e facile da implementare per operatori e compagnie proprietarie di infrastrutture.

Per soddisfare le richieste delle 4 sfide precedentemente menzionate con un approccio LPWA, alcuni parametri sulle prestazioni radio potrebbero risultare degradati, ad esempio:

Il throughput, ma gli usuali scenari applicativi IoT richiedono connessioni di pochi kbps.
La lunghezza del pacchetto, ma usualmente i messaggi sono molto corti con solo pochi Bytes.
Ciclo di attività, molto breve, complessivamente meno del 10% del tempo.
La latenza, con valori dipendenti dal servizio, ma usualmente sono richieste solo un piccolo numero di connessioni al giorno.
Handover di sessione, spesso non richiesto nella maggior parte degli scenari.

Questi parametri risultano quindi non importanti nella maggior parte degli scenari IoT.

Requisiti verticali

Accanto ai requisiti generici, comuni a tutti i servizi IoT, esistono richieste specifiche per un ampia varietà di scenari. Inoltre la stima dei requisiti dipende dal ruolo e dalle ambizioni del singolo operatore. A causa dell'elevato numero di possibili servizi IoT, la varietà dei casi con differenti requisiti risulta enorme. Nella tabella 1, vengono presentati i più rilevanti casi d'uso in termini di un chiaro business con accanto le più probabili richieste.


Settore	Caso d'uso	Requisiti principali
Industria	Alti volumi (miniere)	Distanza, copertura, affidabilità, costi
Agricoltura	Dinamica (tracciamento bestiame) Statica (irrigazione campi)	Batteria, distanza, copertura, affidabilità, costi
Servizi	Elettricità, Acqua, Gas	Copertura interna, Affidabilità
Logistica	Gestione e Tracciamento (flotte) Monitoraggio di base (magazzini)	Installazione semplice, mobilità, copertura, costi Batteria, installazione semplice, mobilità, copertura, costi
Città intelligenti	Sistemi dinamici (gestione del traffico) Sensoristica di base (centraline inquinamento)	Copertura, affidabilità
Indossabili	Tracciamento continuo (diabete) Tracciamento puntuale (conta passi)	Copertura interna, batteria, affidabilità, mobilità Batteria, mobilità, installazione semplice
Edilizia	Soluzione complesse (gestione energia) Soluzione di base (presenza inquinanti)	Copertura interna, sicurezza, affidabilità

Tabella 1: requisiti principali per i più rilevanti casi d'uso.

Soluzioni tecniche LTE

Nelle pubblicazioni 12 e 13 di 3GPP sono state introdotte delle nuove caratteristiche LTE, per venire incontro alle richieste del mercato IoT. In questo modo LTE dimostra una certa scalabilità per venire incontro alle necessità connettive di diverse applicazioni, come illustrato in figura 1.

Figura 1: opzioni di scalabilità della tecnologia LTE.

Vediamo quindi nel dettaglio alcune delle soluzioni tecniche in grado di rendere LTE [...]

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