Un'analisi approfondita delle tecnologie di rete IoT: soluzioni chiave per il 2026

Le tecnologie di rete IoT hanno completamente cambiato il modo in cui ci connettiamo e interagiamo nel nostro mondo digitale, punto e basta! Oggi, i protocolli wireless e gli standard di comunicazione giocano un ruolo fondamentale in quasi ogni aspetto delle implementazioni IoT, dalle città intelligenti ai veicoli connessi, dal monitoraggio ambientale e molto altro ancora. Secondo IoT Analytics, il mercato globale dei dispositivi IoT connessi potrebbe raggiungere i 18.8 miliardi di unità entro la fine del 2024, con una crescita del 13% rispetto al 2023. Allo stesso tempo, con l'esplosione del numero di dispositivi connessi, non c'è mai stata una maggiore necessità di tecnologie di comunicazione robuste, scalabili ed efficienti. In questo articolo, esamineremo alcuni dei protocolli più utilizzati per le comunicazioni IoT. Spero che tu possa acquisire una comprensione più approfondita delle principali soluzioni di rete IoT prima di prendere una decisione.

Che l'IoT è una rete?

Il networking IoT si riferisce al modo in cui i dispositivi IoT si connettono e comunicano tra loro e con i sistemi centrali. Questo crea un ecosistema autonomo di dispositivi intelligenti che lavorano insieme.

In genere, un ecosistema IoT è costituito da quattro livelli principali: dispositivi, dati, tecnologie di connettività e utenti. Come si può vedere, questi livelli costituiscono gli elementi costitutivi di una rete IoT e l'architettura di rete è la spina dorsale che consente una comunicazione efficiente tra tutti gli elementi.

Non dovrebbe sorprendere che le reti IoT debbano disporre di una tecnologia di comunicazione robusta che consenta una connettività senza interruzioni tra i dispositivi. Questi protocolli di rete hanno lo stesso scopo del linguaggio nella comunicazione umana. In sostanza, sono progettati specificamente per i requisiti specifici dei dispositivi IoT. Esistono considerazioni specifiche in termini di consumo energetico, portata, larghezza di banda e densità dei dispositivi. Considerati questi requisiti, un aspetto fondamentale nella pianificazione di un progetto IoT è la scelta del protocollo IoT più adatto.

Negli articoli precedenti abbiamo discusso alcuni protocolli di rete e le loro applicazioni più adatte. Qui elenchiamo alcune tecnologie wireless a corto e lungo raggio ampiamente utilizzate come riferimento per i vostri progetti IoT.

Tecnologie chiave di rete IoT a corto raggio

La tecnologia di comunicazione wireless a corto raggio si riferisce alla tecnologia che realizza la trasmissione senza fili su brevi distanze. In genere, il loro raggio di trasmissione è di decine o centinaia di metri. Esempi comuni includono Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee , UWB, NFC e RFID (non vengono qui descritti in dettaglio).

Bluetooth e Ble 

Il Bluetooth è una delle tecnologie wireless a corto raggio più diffuse. Dagli auricolari wireless ai sistemi per auto, dagli smartwatch ai fitness tracker, lo vediamo ovunque.

L'ultimo standard Bluetooth è il Bluetooth 6.0, rilasciato a settembre 2024, che ha introdotto nuove funzionalità come il rilevamento del canale Bluetooth. Tuttavia, lo standard attualmente più diffuso è il Bluetooth 4.0, 5.0 e versioni successive. Il Bluetooth 5.0 offre velocità di trasmissione fino a 2 Mbit/s, mentre il Bluetooth 4.2 offriva velocità fino a 1 Mbit/s.

Per ovviare alla debolezza del Bluetooth in termini di consumo energetico, è stato introdotto il Bluetooth Low Energy (BLE). Lo sviluppo di questo protocollo ha avuto successo e ha visto un'ampia adozione in tutto il mondo. Uno dei motivi principali è che mantiene la compatibilità con i dispositivi Bluetooth esistenti, offrendo al contempo un consumo energetico significativamente ridotto.

È importante comprendere che il Bluetooth Low Energy è specificamente progettato per i dispositivi a basso consumo utilizzati nell'Internet delle Cose. Non sostituisce né sostituisce il Bluetooth classico esistente. Il BLE utilizza la stessa banda ISM a 2.4 GHz del Bluetooth. A differenza del Bluetooth classico, che supporta fino a 7 dispositivi connessi a un singolo dispositivo master, il BLE ne consente fino a 128. Il BLE utilizza 40 canali con larghezza di banda di 2 MHz e un algoritmo di salto di frequenza adattivo per ottimizzare le prestazioni e ridurre al minimo le interferenze.

WiFi

Il Wi-Fi rappresenta il 31% del totale delle connessioni IoT. In questo articolo parleremo della tradizionale tecnologia radio Wi-Fi e del Wi-Fi HaLow (802.11ah), specificamente progettato per applicazioni IoT a lungo raggio e a basso consumo energetico.

Il WiFi 6 utilizza le stesse bande ISM a 2.4 GHz e 5 GHz degli altri protocolli wireless, con il 6E che aggiunge il supporto per la banda a 6 GHz. La portata varia significativamente da 10 m in ambienti chiusi a oltre 100 m all'aperto, a seconda dei fattori ambientali e della potenza di trasmissione. A differenza dell'architettura punto-punto del Bluetooth, il WiFi segue una topologia di rete a stella, in cui i dispositivi si connettono tramite un punto di accesso centrale (router).

Il WiFi 6/6E (802.11ax), rilasciato nel 2021, è lo standard più diffuso attualmente in uso. In termini di velocità, può raggiungere fino a 9.6 Gbps, una velocità superiore a quella del WiFi 5 (802.11ac), che raggiungeva i 3.5 Gbps. Probabilmente avrete già visto dispositivi con i vecchi standard 802.11ac/n/g. Grazie alla retrocompatibilità del WiFi, questi vecchi dispositivi possono ancora funzionare con i nuovi standard. Gli standard WiFi più recenti offrono una portata maggiore rispetto a quelli precedenti.

WiFi HaLow opera a frequenze inferiori a 1 GHz. Offre una migliore penetrazione nelle pareti e portate maggiori (fino a 1 km) a consumi inferiori. Tuttavia, la tecnologia non è stata ampiamente adottata nel settore, come abbiamo visto con Bluetooth LE.

Una cosa importante da notare è che il WiFi supporta centinaia di connessioni simultanee a un singolo punto di accesso, anche se spesso le limitazioni pratiche riducono questo numero in base alla configurazione della rete.

ZigBee

ZigBee è uno standard di comunicazione wireless a basso costo e basso consumo, progettato per reti personali (PAN). È stato sviluppato specificamente per applicazioni industriali e di domotica. ZigBee potrebbe non essere così diffuso come il Wi-Fi, ma sta diventando sempre più comune nella smart home, tra cui lampadine, termostati e sensori di sicurezza.

È nato nel 2002, con la costituzione della ZigBee Alliance (ora Connectivity Standards Alliance). Ora collabora con grandi organizzazioni come Philips, Texas Instruments, Samsung e Amazon per sviluppare il protocollo ZigBee.

Per essere onesti, ZigBee è stato progettato specificamente per l'automazione, con una facile configurazione e connettività del dispositivo, un basso consumo energetico per una lunga durata della batteria e una sicurezza molto elevata.

L'architettura si basa sullo standard 802.15.4. Il vantaggio principale di ZigBee è che si tratta di un protocollo aperto in grado di supportare fino a 65,000 nodi in una singola rete. ZigBee è particolarmente degno di nota per le sue capacità di rete mesh.

Il protocollo ZigBee definisce tre tipi chiave di dispositivi nella rete:

• Coordinatori (solo uno in ogni rete ZigBee)
• Router (intermediari per la trasmissione dei dati)
• Dispositivi finali ZigBee (comunicano solo con il nodo padre, principalmente in modalità di sospensione)

Texas Instruments e Silicon Labs sono i principali fornitori di chip ZigBee.

UWB 

La banda ultralarga (UWB) è uno dei protocolli di comunicazione emergenti. Probabilmente non l'avete ancora vista in molti dispositivi, ma sta rapidamente guadagnando popolarità. Dagli smartphone alle chiavi delle auto, dai dispositivi per la smart home agli ambienti industriali, vediamo la UWB sempre più presente nella tecnologia moderna.

Come altre tecnologie radio, la UWB opera in uno spettro definito, ma a differenza dei sistemi a banda stretta, diffonde la trasmissione su un'ampia gamma di frequenze, da 3.1 GHz a 10.6 GHz. Ha una portata tipica di 1-50 metri e funziona al meglio in linea di vista tra dispositivi o ancore.

La banda ultra larga utilizza canali con una larghezza di almeno 500 MHz, rispetto ai canali Bluetooth da 1 MHz o 2 MHz. La banda ultra larga (UWB) utilizza anche la trasmissione a impulsi ultrabrevi, che le conferisce una maggiore precisione di posizionamento rispetto ai sistemi a banda stretta.

La massima densità spettrale di potenza per la trasmissione UWB è di 41.3 dBm/MHz. Ciò equivale a circa 0.5 mW di potenza di trasmissione media. Ciò contribuisce a ridurre al minimo le interferenze con i sistemi a banda stretta esistenti come Wi-Fi o Bluetooth. La bassa potenza rende inoltre la UWB sicura. I segnali sono difficili da intercettare a causa dell'ampia diffusione di frequenza e della bassa densità di potenza.

Confronto tra tecnologie di rete IoT a corto raggio

Tecnologie wireless IoT a lungo raggio più diffuse

Ci concentreremo ora sulle tecnologie wireless a lungo raggio e sui vantaggi che questi protocolli hanno apportato all'IoT. Queste tecnologie sono alla base delle reti LPWAN, che coprono distanze da pochi chilometri a migliaia di chilometri. In questo articolo, introdurremo le reti LoRa, Sigfox e cellulari.

LoRa e LoRaWAN

LoRa è un protocollo wireless che offre una trasmissione dati a lungo raggio, a basso consumo e sicura. Si basa sulla modulazione a spettro diffuso chirp, il che significa che è possibile comunicare a grandi distanze senza consumare troppa energia. Colma il divario tra le reti locali wireless a corto raggio come Bluetooth e WiFi e le reti cellulari a raggio molto più lungo.

LoRa e LoRaWAN sono stati inizialmente sviluppati da Cycleo e successivamente acquisiti da Semtech. Oggi, la loro gestione è affidata all'associazione no-profit LoRa Alliance. Non sorprende quindi che sia diventata una delle più grandi alleanze nel settore tecnologico. LoRa Alliance non solo supporta LoRaWAN, ma promuove anche i prodotti e l'interoperabilità tecnologica di LoRaWAN.

LoRa utilizza bande RF sub-GHz (433 MHz, 868 MHz per l'Europa, 923 MHz per l'Asia, 915 MHz per il Nord America e l'Australia). Queste bande di frequenza ISM sono esenti da licenza e disponibili a tutti per le applicazioni IoT. La portata è impressionante: da 2 a 5 km nelle aree urbane, fino a 15 km o più in quelle rurali.

LoRa rappresenta il protocollo di livello fisico (al livello uno del modello OSI) che consente la comunicazione a lungo raggio. Questo livello specifica come i bit grezzi vengono trasmessi su un collegamento dati fisico tra i nodi di rete. LoRaWAN, un protocollo di rete che opera al livello tre del modello OSI, è basato su LoRa e gestisce la comunicazione tra i dispositivi finali e un server di rete centrale.

Per far fronte a vari casi d'uso, LoRaWAN definisce tre classi di dispositivi: dispositivi di Classe A (consumo minimo, tutti gli uplink vengono avviati), dispositivi di Classe B (slot di ricezione pianificati) e dispositivi di Classe C (ascolto continuo).

Sigfox

Sigfox è una tecnologia LPWAN pionieristica progettata per applicazioni IoT che richiedono comunicazioni a lungo raggio con un consumo energetico minimo. Utilizza la tecnologia Ultra Narrow Band (UNB), con ogni messaggio che occupa una larghezza di banda di soli 100 Hz.

Il protocollo Sigfox opera su bande ISM non soggette a licenza (868 MHz in Europa, 915 MHz in Nord America) e offre velocità di trasmissione dati di soli 100 o 600 bit al secondo. Questa bassa velocità di trasmissione, combinata con la larghezza di banda ridotta, si traduce in un'eccellente sensibilità e un consumo energetico molto basso. Le trasmissioni tipiche consumano circa 20-30 mA per pochi secondi, garantendo una lunga durata della batteria, che spesso può durare anni con una singola batteria. Può raggiungere distanze fino a 40 km nelle aree rurali e 3-10 km in ambienti urbani.

Sigfox è un protocollo asimmetrico, il che significa che le capacità di uplink e downlink differiscono significativamente. I dispositivi finali possono inviare fino a 140 messaggi al giorno, con un limite di payload di 12 byte per ogni messaggio. I messaggi di downlink sono limitati a 8 messaggi al giorno, ciascuno di 8 byte.

A differenza di LoRaWAN, Sigfox è stato progettato all'insegna della semplicità, concentrando la maggior parte della complessità sul lato rete anziché sui dispositivi finali. Questo approccio consente un'implementazione estremamente semplice ed efficiente dal punto di vista energetico.

Reti cellulari

Le reti cellulari gestiscono una quantità incredibile delle nostre comunicazioni e rappresentano una delle tecnologie di comunicazione fondamentali del mondo moderno. Dal 2G al più recente 5G, passando per tecnologie specializzate per l'IoT come LTE-M e NB-IoT , le reti cellulari costituiscono circa il 20% delle connessioni IoT globali.

Le reti cellulari operano secondo la cosiddetta architettura cellulare, in cui le aree geografiche sono suddivise in celle. Ognuna è servita da almeno un ricetrasmettitore fisso, noto come stazione base. Queste celle operano insieme secondo uno schema a nido d'ape per fornire una copertura continua su vaste aree.

La tecnologia ha fatto molta strada dagli anni '1980, quando le reti 1G riuscivano a malapena a gestire le chiamate vocali. Siamo davvero nell'era del 5G (98.3 miliardi di dollari entro il 2023) e oggi stiamo implementando NB-IoT, LTE-M e 5G come parte del più ampio ecosistema IoT cellulare. Uno dei principali vantaggi dell'IoT cellulare è la possibilità di sfruttare l'infrastruttura cellulare esistente, ottimizzandola al contempo per le esigenze specifiche dell'IoT. È importante sottolineare che le reti cellulari non sono gratuite.

Confronto delle tecnologie di rete IoT a lungo raggio

Che IoT nrete technology va bene per me?

Utilizzare le reti IoT è sensato perché permettono di connettere e gestire dispositivi in scenari complessi. In particolare, le reti IoT stanno crescendo nel mondo connesso, tenendo conto di variabili come l'ampia scala, la varietà di tipologie di dispositivi e i requisiti operativi in tempo reale.

La tecnologia di connettività è una delle decisioni più cruciali da prendere nello sviluppo di un progetto IoT. La scelta in questo caso determinerà in una certa misura il successo, i costi e le prestazioni del progetto. Prima di approfondire tecnologie specifiche, ponetevi queste domande essenziali:

– Dove verranno utilizzati i dispositivi? Saranno utilizzati all'interno o all'esterno?

– Che raggio d'azione devi coprire? Metri, chilometri o una via di mezzo?

– Quanti dati trasmetterai e con quale frequenza?

– Qual è il tuo budget energetico? Utilizzi batterie o alimentazione di rete?

– Quale infrastruttura di rete è presente presso la sede di distribuzione?

– Quali sono i vostri requisiti di sicurezza?

– Qual è il tuo budget per i costi hardware e di connettività continua?

Le tecnologie che abbiamo trattato sopra non rappresentano un elenco esaustivo dei tipi di connessione, ma dovrebbero consentirti di essere operativo sulla maggior parte dei progetti IoT.

Corto-rangelo ttecnologie in pcorsa

Per le tecnologie di comunicazione wireless a corto raggio, il Wi-Fi offre una trasmissione dati ad alta velocità. Domina la copertura di rete wireless in case e spazi pubblici. Poiché molti edifici sono già dotati di Wi-Fi, è ideale per applicazioni IoT come case intelligenti, telecamere di sicurezza e soluzioni di tracciamento integrate.

Nel settore consumer, il Bluetooth Low Energy (BLE ) domina incontrastato. È diventato la scelta preferita per i servizi di localizzazione a corto raggio grazie a considerazioni di costo. Il mercato lo conferma: le spedizioni di dispositivi Bluetooth per i servizi di localizzazione hanno raggiunto i 255 milioni di dollari nel 2024. Il BLE sta crescendo rapidamente anche nel settore delle case intelligenti. Con la sua inclusione nello standard Matter, assisteremo alla nascita di un numero ancora maggiore di applicazioni per la domotica.

Zigbee è un altro attore chiave che non può essere ignorato nel settore delle case intelligenti. Attualmente è utilizzato soprattutto nell'automazione industriale e nelle applicazioni per la domotica. La rete mesh di Zigbee può estendere la distanza di connessione e supportare un maggior numero di nodi di rete.

La tecnologia UWB non ha raggiunto gli stessi livelli di diffusione delle prime tre. Il suo principale vantaggio è la precisione di posizionamento a livello centimetrico. Tuttavia, comporta costi di implementazione relativamente più elevati. Questo la rende più adatta a casi d'uso specifici che richiedono un tracciamento preciso della posizione.

Lunghi-rangelo ttecnologie in pcorsa

Per le tecnologie IoT wireless a lungo raggio, LoRa e LoRaWAN sono all'avanguardia in molte implementazioni IoT. Offrono una copertura eccezionale con un consumo energetico molto basso. LoRaWAN è ideale quando i dispositivi devono funzionare a batteria per periodi prolungati e possono tollerare una certa latenza nella trasmissione dei dati. Questa tecnologia trova impiego comune nel tracciamento di animali, veicoli, gestione dei parcheggi, monitoraggio ambientale, rilevamento in agricoltura e misurazione dei consumi energetici.

Sigfox ha un design più snello rispetto a LoRaWAN. È progettato per ridurre i costi e la complessità dei dispositivi, anche a costo di sacrificare la velocità di trasmissione dei dati. Sebbene Sigfox e LoRaWAN possano talvolta servire a scopi simili, è consigliabile optare per LoRaWAN se si necessitano reti private o comunicazioni bidirezionali.

NB-IoT e LTE-M offrono un vantaggio significativo: possono utilizzare l'infrastruttura cellulare esistente. Queste tecnologie si sovrappongono ad alcune applicazioni LoRaWAN e Sigfox, soprattutto per il tracciamento di risorse su vaste aree geografiche. Il settore della logistica ha adottato in particolare le soluzioni di tracciamento basate su rete cellulare. Tuttavia, le opzioni cellulari comportano costi più elevati a causa delle tariffe di abbonamento.

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