Cos'è LPWAN? Introduzione alla tecnologia di rete WAN a basso consumo

Oggi, i notevoli progressi delle tecnologie IoT hanno reso realtà connessioni un tempo impossibili tra individui e dispositivi. La tecnologia LPWAN è emersa come un tema di grande attualità nel mondo dell'IoT, offrendo soluzioni precedentemente irraggiungibili. Per le brevi distanze, avevamo soluzioni come Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee e altri. Per le distanze più lunghe, c'erano reti cellulari 2G, 3G, 4G e simili.

Ma se si esaminassero queste tecnologie wireless in base al loro fabbisogno energetico e alla loro portata, si noterebbe una lacuna per opzioni a basso consumo e a lungo raggio. È proprio in questa nicchia che si inserisce perfettamente la tecnologia LPWAN. Colma quel vuoto di breve durata della batteria e di portata estesa che mancava nella gamma di opzioni di comunicazione wireless che avevamo prima.

Cos'è LPWAN

LPWAN, o Low Power Wide Area Network (a volte chiamata anche LPWA), è un termine relativamente nuovo che non rappresenta uno standard o una tecnologia specifica. Piuttosto, è un termine più generico che include vari protocolli proprietari e open source. In sostanza, LPWAN si riferisce a una famiglia di reti wireless progettate per la comunicazione a basso consumo e a lungo raggio tra dispositivi.

La distanza di comunicazione delle tecnologie LPWAN varia da pochi chilometri nelle aree urbane a oltre 10 chilometri nelle aree rurali. Questo significa essenzialmente una comunicazione più efficiente ed economica, ovvero in grado di massimizzare la portata con un consumo energetico inferiore. Si prevede che nel prossimo futuro la tecnologia LPWAN troverà applicazione in modo più ampio e innovativo.

Topologia e architettura nelle tecnologie LPWAN

In base alla struttura topologica, le LPWAN possono essere suddivise in due categorie principali: a stella e mesh. A questo proposito, le tecnologie cellulari sono in genere universali e supportano la mobilità. Le topologie a stella o stella-stella sono preferite per le LPWAN rispetto alle reti mesh per via del loro rapporto costi-efficacia.

Al centro di LPWAN, gli altri componenti di un'architettura LPWAN semplice includono la connettività wireless, Internet e il cloud. La stazione base/gateway raccoglie dati da numerosi nodi terminali distribuiti in remoto e risponde agli input provenienti dalla LPWAN. La stazione base/gateway è il dispositivo di confine che riceve e demodula questi dati e li invia tramite un collegamento backhaul TCP/IP standard come Ethernet, rete cellulare, ecc., a un server back-end.

Per i servizi LPWAN pubblici, i dati vengono inoltrati tramite i server dell'operatore di rete prima di essere inviati all'applicazione dell'utente finale. Nelle reti LPWAN gestite privatamente, i dati possono essere indirizzati direttamente al back-end predefinito dell'utente finale. Ciò garantisce la riservatezza e la sicurezza dei dati dei dispositivi LPWAN.

Standard LPWAN: LPWA cellulare e LPWA non cellulare

Prima di approfondire le tecnologie LPWAN, è fondamentale comprendere le principali categorie in cui rientrano. Le LPWAN possono essere classificate in due gruppi: quelle che operano su bande di frequenza non soggette a licenza (come LoRa e SigFox) e le tecnologie cellulari che operano su bande di frequenza soggette a licenza e aderiscono agli standard 3GPP (come LTE-M e NB-IoT). Di seguito, esploreremo alcune opzioni tecnologiche LPWAN attivamente implementate.

LPWAN cellulare (spettro concesso in licenza)

Le reti LPWAN cellulari richiedono l'autorizzazione di enti governativi o di regolamentazione e in genere sfruttano l'infrastruttura degli operatori di rete esistenti. Tuttavia, richiedono una connessione affidabile tra dispositivo e stazione base, quindi sono più adatte ad aree densamente popolate come centri urbani, zone residenziali e parchi industriali. Gli standard LPWAN cellulari includono EC-GSM-IoT, LTE Cat. M1 (LTE-M) e NB-IoT, operanti nello spettro LTE (700 MHz-3.5 GHz).

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT o GSM IoT a Copertura Estesa è stato inizialmente introdotto dal 3GPP nella Release 13. Si tratta di una tecnologia cellulare LPWAN basata su eGPRS, che mira a sfruttare le reti e le infrastrutture mobili esistenti (principalmente 2G/GSM) per stabilire comunicazioni IoT remote. Utilizza spettro concesso in licenza per fornire comunicazioni affidabili e sicure. Rispetto ad altre tecnologie cellulari, il GSM offre una copertura più ampia. La sua versione migliorata, eGPRS/EDGE, mantiene questo vantaggio supportando al contempo velocità di trasmissione dati più elevate.

IoT a banda stretta (NB-IoT)

NB-IoT (Narrowband Internet of Things) è uno standard tecnologico radio LPWAN sviluppato da 3GPP per la connessione di dispositivi IoT. In quanto tecnologia CIoT 3GPP, NB-IoT definisce ulteriormente l'interfaccia wireless per le comunicazioni IoT rispetto a EC-GSM-IoT e LTE-M. Operando all'interno di bande di spettro con licenza, utilizza una larghezza di banda stretta di circa 180 kHz. NB-IoT è stato standardizzato grazie alla collaborazione tra 3GPP e i principali fornitori di apparecchiature per telecomunicazioni come Nokia, Huawei ed Ericsson.

LTE-M

LTE-M (LTE-Machine-to-Machine), noto anche come eMTC (Enhanced Machine-Type Communication), è un'altra tecnologia IoT LPWAN 3GPP derivata da LTE. Supporta velocità di trasmissione dati e mobilità più elevate (fino a 350 km/h) rispetto a NB-IoT. LTE-M opera su spettro concesso in licenza, coesistendo con le reti cellulari 2G, 3G, 4G e 5G.

LTE-M è stato inizialmente denominato Low-Cost MTC nella versione 3 del 12GPP e successivamente rinominato eMTC nella versione 13. I miglioramenti apportati alle versioni del 3GPP hanno ampliato le capacità di LTE-M. Le versioni 14 e 15 hanno abilitato il supporto per livelli di copertura avanzati con mobilità. La versione 14 ha aggiunto la funzionalità VoLTE (Voice over LTE). La versione 15 si è basata su queste funzionalità, aggiungendo nuovi casi d'uso per dispositivi IoT a maggiore mobilità. La versione 16 ha proseguito l'evoluzione con miglioramenti per la coesistenza con il 5G New Radio (NR).

LPWAN non cellulare (spettro senza licenza)

Le LPWAN non cellulari operano all'interno di bande di frequenza ISM non soggette a licenza e non dipendono dall'infrastruttura dell'operatore di rete. I dispositivi trasmettono i dati direttamente o tramite gateway ai server applicativi/di rete. Oltre a LoRa, altre LPWAN non cellulari includono Sigfox, Weightless, RPMA, Symphony Link e Wize, DASH7, ecc., che utilizzano la banda di frequenza sub-GHz con velocità di comunicazione che vanno da circa 100 bps a 250 kbps e distanze da 2 km a 100 km. Le LPWAN non cellulari sono in genere implementate in aree remote con copertura cellulare limitata, regioni montuose, isole e per implementazioni di reti aziendali dedicate.

LoRa/LoRaWAN

LoRa è la specifica PHY dello stack di protocollo, che si riferisce specificamente alla modulazione proprietaria Chirp Spread Spectrum sviluppata da Semtech. LoRaWAN Lo standard definisce il protocollo del livello MAC e l'architettura del sistema che opera al di sopra del livello PHY LoRa, gestito dalla LoRa Alliance, che è in rapida crescita e conta circa 500 aziende associate in tutto il mondo.

LoRa è progettato principalmente per la comunicazione in uplink da più dispositivi terminali ai gateway, utilizzando messaggi codificati su canali e velocità dati diversi per ridurre le collisioni e aumentare la capacità del gateway. È ideale per applicazioni che richiedono carichi di dati ridotti e comunicazioni poco frequenti sia in aree urbane che rurali/remote. Un singolo gateway LoRaWAN può gestire connessioni da numerosi nodi e dispositivi terminali.

Sigfox

Sigfox è una delle tecnologie LPWAN non 3GPP ad aver avuto un'ampia diffusione. Si tratta di una tecnologia LPWAN proprietaria che prende il nome dall'azienda Sigfox che l'ha introdotta per prima. Utilizza la radio a banda ultra stretta per ottenere connettività IoT wireless a lunghissimo raggio e basso consumo.

Tuttavia, la larghezza di banda ridotta di Sigfox limita fortemente la capacità di downlink di trasmettere dati ai dispositivi. E la banda ultra-stretta può causare potenziali problemi di interferenza. Nonostante queste limitazioni, Sigfox rimane un importante player LPWAN e ha ottenuto un successo in Europa.

Senza peso

Il Weightless Special Interest Group (Weightless SIG) è stato fondato nel 2008 con l'obiettivo di standardizzare la tecnologia LPWAN. Tra i membri promotori del gruppo figurano Accenture, M2COMM, ARM, Telensa e Sony Europe.

Weightless è costituito da tre varianti pensate per diversi scenari applicativi: Weightless-W, Weightless-N e Weightless-P. Weightless-W opera nella banda dello spazio bianco televisivo (TVWS) e ha un'implementazione più complessa. Weightless-N è simile a Sigfox, essendo un protocollo a banda stretta che opera nella banda sub-GHz non licenziata, utilizzato da NWave. Nel complesso, Weightless-N e Weightless-P hanno ricevuto maggiore attenzione e implementazione rispetto a Weightless-W.

Collegamento sinfonia

Symphony Link è un protocollo LPWAN sviluppato da Link Labs, un'azienda membro della LoRa Alliance. Sebbene Link Labs utilizzi i chipset per il livello fisico LoRa di Semtech, ha implementato un proprio stack software personalizzato per il livello MAC chiamato Symphony Link, anziché utilizzare la specifica aperta LoRaWAN.

Rispetto allo standard LoRaWAN, le principali differenze in Symphony Link sono alcune funzionalità di rete avanzate, come la consegna affidabile dei messaggi e l'espansione dinamica della rete tramite l'aggiunta di gateway.

Applicazioni delle tecnologie LPWAN

La tecnologia LPWAN è la soluzione vincente in termini di portata e consumo energetico. L'utilizzo della tecnologia LPWAN consente di raccogliere dati dai sensori da remoto e di tracciarli su lunghe distanze. In questa sezione, esploreremo alcuni dei suoi casi d'uso pratici.

Contabilizzazione intelligente di gas e acqua

I sistemi di lettura automatica dei contatori utilizzano reti LPWAN per la raccolta wireless remota dei dati sui consumi di energia elettrica, gas e acqua. Sono finiti i tempi in cui gli operatori dovevano controllare e registrare manualmente i dati. Gli utenti possono anche ottenere visibilità sulla quantità di dati di consumo che utilizzano quotidianamente.

Edifici intelligenti

All'interno degli edifici, le reti LPWAN vengono utilizzate in strutture residenziali, commerciali e industriali per renderle più intelligenti. Negli ambienti domestici, dispositivi smart home come serrature intelligenti, sistemi HVAC e illuminazione possono essere integrati e gestiti centralmente tramite LPWAN. Negli edifici adibiti a uffici e commerciali, LPWAN consente il monitoraggio centralizzato dell'occupazione degli spazi e dei sistemi di sicurezza come i sensori delle porte.

Gestione intelligente dei rifiuti

La gestione intelligente dei rifiuti sta diventando sempre più diffusa nelle iniziative di smart city. I sensori installati nei cassonetti possono monitorare i livelli di riempimento, trasmettendo i dati tramite LPWAN al sistema centrale. Al raggiungimento di livelli di riempimento predeterminati, vengono generati avvisi per la raccolta e lo smaltimento tempestivi. Inoltre, è possibile acquisire informazioni sulla posizione dei camion dei rifiuti dotandoli di localizzatori LPWAN.

Parcheggio intelligente

Nei sistemi di parcheggio intelligenti, la tecnologia LPWAN consente il monitoraggio e la gestione in tempo reale dell'occupazione dei parcheggi. I sensori installati nei parcheggi possono rilevare con precisione lo stato di occupazione. Gli utenti possono controllare i parcheggi disponibili tramite un'app mobile e pagare a distanza.

Agricoltura intelligente

Le reti LPWAN si stanno espandendo nei sistemi di agricoltura intelligente. Gli agricoltori possono installare diversi sensori (umidità del terreno, temperatura, umidità, luce, ecc.) nei campi. Possono quindi raccogliere dati da remoto da questi sensori utilizzando LoRaWAN o altre reti LPWAN come NB-IoT.

Confronto popolare tra LPWAN con licenza e senza licenza

Considerate le numerose tecnologie LPWAN disponibili, una selezione oculata è fondamentale. Secondo le stime di ricerca di mercato di IoT Analytics, entro il 2024, oltre 97% dei sistemi LPWAN saranno implementati utilizzando le tecnologie LTE-M, NB-IoT, Sigfox o LoRa. Pertanto, confronteremo le 4 principali tecnologie LPWAN: NB-IoT, LTE-M, Sigfox e LoRa.

Tabella comparativa tra NB-IoT, LTE-M, LoRaWAN e Sigfox

Fare la scelta giusta LPWAN

NB-IoT è una tecnologia LPWAN 3GPP che sfrutta le reti LTE/GSM esistenti per fornire connettività a bassa larghezza di banda ai dispositivi IoT. Migliora il consumo energetico dei dispositivi, la capacità del sistema, l'efficienza dello spettro e le prestazioni di copertura estesa, adattandosi a casi d'uso IoT in ambito industriale, automazione degli edifici, smart city, monitoraggio sanitario e risposta alle catastrofi.

LTE-M si rivolge ad applicazioni simili a NB-IoT, ma con una larghezza di banda maggiore per consentire velocità di trasmissione dati più elevate e una sicurezza più rigorosa, sebbene con consumi energetici più elevati. È ideale per applicazioni che richiedono una maggiore velocità di trasmissione, come il monitoraggio video, dove i vincoli energetici sono meno stringenti.

Sigfox e LoRaWAN sono tecnologie non 3GPP che operano in spettro non soggetto a licenza. Le loro strette larghezze di banda consentono un funzionamento a bassissimo consumo energetico per trasmissioni poco frequenti di piccoli payload da endpoint che richiedono una durata della batteria di diversi anni, ma con vincoli di bassa velocità di trasmissione dati. Sigfox privilegia il basso consumo energetico e la semplicità di implementazione, ma non dispone di downlink per gli aggiornamenti del firmware. LoRaWAN supporta la gestione bidirezionale dei dispositivi a basso costo. Entrambe possono essere impiegate in applicazioni di agricoltura intelligente, tracciamento delle risorse e scenari correlati di monitoraggio IoT a bassa velocità.

LPWAN è il futuro

Essendo una nuova tecnologia in rapida evoluzione, il panorama LPWAN è in fase di sviluppo e non ha ancora raggiunto la maturità. Con numerosi operatori di mercato, i vincitori non sono ancora stati chiaramente individuati, soprattutto considerando il ritmo incerto dell'espansione del mercato. Anche le prestazioni a lungo termine di ciascuna variante LPWAN rimangono incerte, poiché molte sono ancora in fase di implementazione iniziale e non sono state ancora condotte sperimentazioni pratiche complete e su larga scala.

In effetti, la ricerca di ABI Research indica un aumento previsto nell’adozione di dispositivi IoT, con una stima 5.3 miliardi Si prevede che i dispositivi IoT sfrutteranno le tecnologie LPWAN entro il 2030. È ammirevole che LPWAN sia il dominio di connettività in più rapida crescita sul mercato. A trainare questa crescita è la domanda di casi d'uso come il monitoraggio remoto, che richiedono trasmissioni di dati poco frequenti e funzionamento a batteria, caratteristiche che le tecnologie LPWAN sono particolarmente adatte a soddisfare.

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