Protocolli IoT [1/2]: wireless a lungo raggio

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L’Internet of Things (IoT) è divenuto ormai una delle aree più importanti di sviluppo tecnologico per il futuro, coinvolgendo con la sua filosofia innumerevoli settori quali la domotica, che ora è divenuta smart-home, la manifattura che sta evolvendo verso l’Industria 4.0, la mobilità attraverso la guida autonoma, e tanti altri settori (agricoltura, fitness, etc.). Tutti i dispositivi che sono stati sviluppati nel contesto IoT hanno un fattor comune: la connettività. L’evoluzione dell’IoT ha prodotto innumerevoli protocolli che hanno cercato di affermarsi nel settore emergente, ma solo in pochi hanno ottenuto risultati memorabili. In questa piccola serie di articoli focalizzeremo l’attenzione sui canali wireless orientati al mondo dell’IoT, in particolar modo distinguendoli in funzione della distanza raggiungibile e suddividendoli in protocolli a corto e lungo raggio.

Introduzione

Il mondo è sempre più connesso! Al principio sono stati gli smartphone ma ora qualsiasi oggetto è connesso: TV, frigoriferi, macchine industriali, automobili. Proprio nessuno ne può più far a meno. In realtà possiamo notare come tutti questi oggetti sono molto diversi tra di loro per dimensioni, contesto di applicazione, necessità di utilizzo, quantità di informazioni da scambiare e tanto altro. Proprio per questa diversità gli ingegneri e i designer che si occupano della progettazione della miriade di dispositivi IoT devono affrontare una scelta ponderata delle caratteristiche del dispositivo, tra cui gioca un ruolo fondamentale la tipologia di connettività. Sembra una cosa banale, ma scegliere la giusta tecnologia di comunicazione è fondamentale sia in termini economici (infatti non tutte le connessioni sono gratuite e laddove sono gratuite il costo della tecnologia può essere esoso), sia in termini di area di copertura o di consumo di energia.

Per quanto riguarda la connettività possiamo individuare, in funzione dell'elemento di trasmissione, tre grandi categorie di canali di comunicazione:

  • canali wired, ossia utilizzano cablaggi;
  • canali wireless in cui i dispositivi utilizzano comunicazioni senza fili. I canali wireless si suddividono a loro volta in due categorie: canali a corto raggio e canali a lungo raggio;
  • sistemi ibridi che sfruttano le peculiarità di diversi canali di comunicazione per ottenere il massimo delle prestazioni e versatilità.

In questa serie di articoli focalizzeremo l'attenzione sui protocolli per canali di comunicazione wireless, osservando lo stato dell'arte e quali protocolli hanno avuto maggior successo.

Differenze tra corto/lungo raggio

Quando si parla di comunicazioni wireless la prima domanda che sorge spontanea è:

Quanto lontano può arrivare una comunicazione wi-fi?

La riposta non sempre è semplice in quanto questa dipende strettamente dalla tecnologia e da innumerevoli fattori che influenzano la stessa e/o il protocollo di comunicazione. Per semplicità possiamo sintetizzare la risposta in due elementi della tecnologia quali:

  • frequenza utilizzata e dunque ampiezza di banda
  • consumo di potenza

In realtà combinando questi due fattori di tecnologia, si possono raggiungere distanze dell'ordine delle decine di metri fino alle decine di chilometri a seconda di altri fattori che caratterizzano la comunicazione. Per semplicità, nelle comunicazioni wireless i protocolli si dividono in due macro-categorie:

  • quando la distanza è piccola si parla di protocolli a corto raggio, ossia connessioni fino a centinaia di metri. Tali protocolli vengono utilizzati per applicazioni indoor (all’interno dell’Industria 4.0, all’interno del veicolo, etc.);
  • quando le distanze diventano considerevoli invece si parla di protocolli a lungo raggio che vanno dalle centinaia di metri fino alle decine di chilometri.

Su grande scala possiamo incontrare molto spesso l'applicazione di protocolli a corto raggio per realizzare delle sensor network localizzate intorno ad un nodo centrale che poi implementa un differente protocollo adatto alle esigenze che potrebbe essere a lungo raggio oppure wired. Con tale tecnica si realizzano sistemi (o meglio ecosistemi) ibridi in grado di trasferire le informazioni in un altro luogo del globo nonostante la sensoristica adoperi tecnologie a bassissimo consumo energetico.

Nel contesto delle tecnologie di comunicazione wireless a lungo raggio in realtà si parla di tecnologie LPWA (Low Power Wide Area) e reti LPWAN, da cui l'importanza delle frequenze utilizzate per ridurre i consumi. Sebbene le reti cellulari siano uno standard (con frequenze ben stabilite ed assegnate attraverso delle licenze a livello nazionale) ci sono anche tantissime reti "non standardizzate" in quanto operano nel campo delle frequenze libere. Con il progredire della filosofia IoT ci si aspetta ancora una grande sfida affinché si abbiano degli standard affermati, e quantomeno una regolarizzazione/standardizzazione delle altre reti LPWAN.

Di seguito andremo a fare una veloce panoramica generale sulle soluzioni e standard LPWAN cellulari. Infatti, le reti LPWA cellulari rientrano nello spettro concesso in licenza e sono offerte dagli operatori di rete mobile che tutti conosciamo. Ma esistono anche dei protocolli LPWA affermati che operano al di fuori delle frequenze con licenza che cercano di affermarsi sempre di più. Tra questi protocolli (rappresentati in Figura 1) ci soffermeremo principalmente su Sigfox, Lora e Weightless. Infine, osserveremo lo standard Wi-Fi a basso consumo denominato HaLow.

Figura 1. Classificazione dei protocolli a lungo raggio

Reti cellulari

Quando si parla di comunicazioni a lungo raggio, il primo dispositivo che ci viene in mente è il telefono cellulare. La rete del nostro cellulare è evoluta nel tempo, da quando ci consentiva semplicemente di chiamare, successivamente inviare messaggi brevi (SMS), fino a poi messaggi multimediali e ora connessi alla rete internet a velocità elevate. Questa evoluzione l'abbiamo vista passando dal 2G al 3G e fino al 4G odierno, con uno sguardo al prossimo 5G. Le tecnologie di scambio informazioni a livello di comunicazioni Machine-to-Machine (M2M) già utilizzano da molto tempo la comunicazione GPRS, sfruttando dunque la rete cellulare. Tale rete, in cui operano molte aziende in qualità di operatori e/o gestori dell'infrastruttura, ha una elevata potenza di fuoco, ossia consente l'interconnessione di innumerevoli dispositivi connessi. Seppur quando si utilizzavano le connessioni a tecnologia GPRS i costi non erano alquanto irrisori, con l'avvento dei piani tariffari all-inclusive, ha ridotto drasticamente i costi. Si pensi che alcuni dispositivi IoT utilizzano persino gli SMS per poter trasmettere informazioni a lunga distanza.

Successivamente è arrivata la tecnologia LTE (Long Term Evolution) che ha incrementato le soluzioni disponibili all’accesso alla rete per i dispositivi IoT (a basso consumo e ridotto scambio di informazioni) in modo da alleggerire il carico sulle infrastrutture dedicate propriamente ai cellulari (consumo sostenuto e maggior mole di dati scambiati). A differenza dei protocolli LTE utilizzati dai cellulari (che richiedono prestazioni diverse ma hanno anche molta più potenza di calcolo) per le applicazioni IoT sono nati diversi protocolli LTE in grado di soddisfare le esigenze di oggetti a basso consumo energetico. Tra questi, quello maggiormente diffuso è il CAT-M.
Inoltre, per tali applicazioni sono stati sviluppati chipset wireless molto semplici e a basso consumo energetico. Sebbene lo standard LTE è in continua evoluzione e miglioramento per garantire anche una migliore efficienza energetica, risulta ancora un protocollo assetato di energia. Il concorrente diretto che risulta orientato principalmente all’efficienza energetica è Narrowband-IoT (NB-IoT). Rispetto alla tecnologia LTE, tale protocollo utilizza una banda più stretta 1,4 MHz supportata da una potenza di trasmissione ridotta, e velocità di trasferimento dati di 50 kb/s in down link e di 20 kb/s in up link.

Cellular 5G

Negli ultimi anni le connessioni e tecnologie della telefonia mobile si stanno evolvendo superando il 4G, si parla dunque di quinta generazione con l’acronimo 5G. Tale tecnologia si basa sulle frequenze 700 MHz, 3600-3800 MHz e 26 GHz. La tecnologia è sviluppata per essere più veloce dell’attuale 4G (fino a 20 Gbps) e un consumo energetico delle celle ridotto, consentendo al contempo riduzione della latenza, maggior scalabilità dei dispositivi interconnessi simultaneamente. L’idea fondamentale su cui si basa questa tecnologia è la presenza di un numero maggiore di antenne con potenze di emissioni inferiori riuscendo così a garantire una copertura più capillare nonostante la ridotta area di copertura per ogni singola antenna. A differenza delle altre tecnologie cellulari, con il 5G si possono raggiungere al massimo 500 metri ma, come accennato in precedenza, la presenza capillare delle antenne porterà alla copertura del segnale ovunque.

LoRaWAN

La LoRa Alliance® associa oltre 500 aziende intente ad affermare su larga scala il protocollo LoRaWAN (il cui logo è riportato in Figura 2) ideato proprio per applicazioni IoT di tipo Low Power Wide Area. I punti di forza di questa alleanza sono una collaborazione attiva e costruttiva in termini di soluzioni e servizi dell’ecosistema, nonché una rete pubblica certificata diffusa a livello globale. [...]

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