Cos'è LPWAN? Un'introduzione alla tecnologia delle reti geografiche a basso consumo

Oggi, i notevoli passi avanti compiuti dalle tecnologie IoT hanno reso realtà le connessioni un tempo impossibili tra individui e dispositivi. LPWAN è emerso come un argomento caldo nel mondo dell’IoT, offrendo soluzioni prima irraggiungibili. Per brevi distanze, avevamo cose del genere Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee e altri. E per distanze maggiori, c'erano 2G, 3sol, 4Reti cellulari G e simili.

Ma se guardassi queste tecnologie wireless in base alle loro esigenze di alimentazione e portata, noteresti che c'era un divario per la bassa potenza, opzioni a lungo raggio. Questa è la nicchia in cui la tecnologia LPWAN si inserisce perfettamente. Riempie quella breve durata della batteria, il vuoto a lunga distanza che mancava nella gamma di opzioni di comunicazione wireless che avevamo prima.

Cos'è LPWAN

LPWAN, o rete geografica a basso consumo (a volte chiamato anche LPWA) è un termine relativamente nuovo che non rappresenta uno standard o una singola tecnologia. Anziché, è più un termine generale che include vari protocolli proprietari e open source. In sostanza, LPWAN si riferisce a una famiglia di reti wireless progettate per il basso consumo, comunicazione a lungo raggio tra dispositivi.

La distanza di comunicazione delle tecnologie LPWAN varia da pochi chilometri nelle aree urbane a 10 più chilometri nelle zone rurali. Ciò significa essenzialmente una comunicazione volta a diventare più efficiente ed economicamente vantaggiosa – vale a dire. siamo in grado di massimizzare la portata con un minor consumo energetico. Si presume che nel prossimo futuro, LPWAN abbraccerà un'applicazione più ampia in un modo molto più innovativo.

Topologia e architettura nelle tecnologie LPWAN

Dalla struttura topologica, Le LPWAN possono essere suddivise in due categorie principali: stella e maglia. A questo proposito, le tecnologie cellulari sono tipicamente universali in questo senso e supportano la mobilità. Le topologie a stella o stella a stella sono preferite per le LPWAN rispetto alle reti mesh grazie al loro rapporto costo-efficacia.

Nel cuore di LPWAN, gli altri componenti di una semplice architettura LPWAN includono la connettività wireless, Internet, e cloud. La stazione base/gateway raccoglie i dati da numerosi nodi finali distribuiti in remoto e risponde agli input 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, eccetera., a un server back-end.

Per i servizi LPWAN pubblici, i dati vengono quindi inoltrati ai server dell’operatore di rete prima di essere inviati all’applicazione dell’utente finale. Nelle LPWAN gestite privatamente, i dati possono essere instradati direttamente al back-end predefinito dell’utente finale. Ciò garantisce che i dati del dispositivo LPWAN siano privati ​​e sicuri.

Standard LPWAN: LPWA cellulare e LPWA non cellulare

Prima di approfondire le tecnologie LPWAN, è fondamentale comprendere le categorie principali in cui rientrano. Le LPWAN possono essere sostanzialmente classificate in due gruppi: quelli che operano all'interno di bande di frequenza senza licenza (come LoRa e SigFox), e tecnologie cellulari che funzionano all'interno delle bande di frequenza autorizzate e aderiscono agli standard 3GPP (come LTE-M e NB-IoT). Sotto, esploreremo alcune opzioni della tecnologia LPWAN implementate attivamente.

LPWAN cellulare (Spettro concesso in licenza)

Le LPWAN cellulari richiedono l'autorizzazione di enti governativi o di regolamentazione e in genere sfruttano gli operatori di rete esistenti’ infrastruttura. però, richiedono una connessione affidabile dal dispositivo alla stazione base, quindi è più adatto per aree densamente popolate come i centri urbani, zone residenziali, e parchi industriali. Gli standard LPWAN cellulari includono EC-GSM-IoT, LTE cat. M1 (LTE-M) e NB-IoT, operante nello spettro LTE (700MHz-3,5 GHz).

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT o Extended Coverage GSM IoT è stato inizialmente introdotto da 3GPP nella versione 13. È una tecnologia LPWAN cellulare basata su eGPRS, con l’obiettivo di sfruttare le reti e le infrastrutture mobili esistenti (principalmente 2G/GSM) per stabilire comunicazioni IoT remote. Utilizza lo 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/BORDO, mantiene questo vantaggio supportando velocità dati più elevate.

IoT a banda stretta (NB-IoT)

NB-IoT (Internet delle cose a banda stretta) è uno standard di tecnologia radio LPWAN sviluppato da 3GPP per il collegamento di dispositivi IoT. Come tecnologia CIoT 3GPP, NB-IoT definisce ulteriormente l'interfaccia wireless per la comunicazione IoT rispetto a EC-GSM-IoT e LTE-M. Operare all'interno delle bande di spettro autorizzate, utilizza una larghezza di banda stretta di circa 180kHz. NB-IoT è stato standardizzato grazie alla collaborazione tra 3GPP e i principali fornitori di apparecchiature per le telecomunicazioni come Nokia, Huawei, ed Ericsson.

LTE-M

LTE-M (LTE da macchina a macchina), noto anche come eMTC (Comunicazione di tipo macchina migliorata), è un'altra tecnologia IoT 3GPP LPWAN derivata da LTE. Supporta velocità dati e mobilità più elevate (fino a 350 km/ora) rispetto a NB-IoT. LTE-M opera nello spettro concesso in licenza, coesistere con 2G, 3sol, 4sol, e reti cellulari 5G.

LTE-M è stato inizialmente chiamato MTC a basso costo nella versione 3GPP 12 e successivamente rinominato eMTC nella versione 13. I miglioramenti apportati alle versioni 3GPP hanno ampliato le capacità di LTE-M. Rilasci 14 e 15 ha consentito il supporto per livelli di copertura migliorati con la mobilità. Pubblicazione 14 aggiunto VoLTE (Voce su LTE) capacità. Pubblicazione 15 costruito su questi con nuovi casi d'uso per dispositivi IoT a mobilità più elevata. Pubblicazione 16 continua l'evoluzione con miglioramenti per la coesistenza con 5G New Radio (NR).

LPWAN non cellulare (Spettro senza licenza)

Le LPWAN non cellulari operano all'interno di bande di frequenza ISM senza licenza e non fanno affidamento sull'infrastruttura dell'operatore di rete. I dispositivi trasmettono i dati direttamente o tramite gateway ai server di applicazione/rete. Oltre a LoRa, altri LPWAN non cellulari includono Sigfox, Senza peso, RPMA, Collegamento Sinfonico, e Wize, DASH7, eccetera. utilizzando la banda di frequenza sub-GHz con velocità di comunicazione che vanno da ~100bps a 250kbps e distanze da 2km a 100km. Le LPWAN non cellulari vengono generalmente 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 protocolli, facendo specifico riferimento alla modulazione proprietaria Chirp Spread Spectrum sviluppata da Semtech. Il LoRaWAN Lo standard definisce il protocollo del livello MAC e l'architettura del sistema che opera al di sopra del livello PHY LoRa, gestito da LoRa Alliance, che sta rapidamente crescendo con quasi 500 aziende associate a livello globale.

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

Sigfox

Sigfox è una delle tecnologie LPWAN non 3GPP che ha visto un'adozione diffusa. Si tratta di una tecnologia LPWAN proprietaria che prende il nome dalla società Sigfox che per prima l'ha introdotta. Utilizza la radio a banda ultra stretta per ottenere una portata ultra lunga, connettività IoT wireless a basso consumo.

però, La larghezza di banda ridotta di Sigfox limita fortemente la capacità di downlink di trasmettere dati ai dispositivi. Inoltre, la banda ultrastretta potrebbe comportare potenziali problemi di interferenza. Nonostante queste limitazioni, Sigfox rimane un importante attore LPWAN e ha guadagnato terreno con successo in Europa.

Senza peso

Il gruppo di interesse speciale senza peso ( SIG senza peso) è stato fondato nel 2008, con l'obiettivo di standardizzare la tecnologia LPWAN. Tra i membri del gruppo promotore figura Accenture, M2COMM, BRACCIO, Il suo telefono, e Sony Europa.

Weightless è composto da tre varianti su misura per diversi scenari applicativi: Senza peso-W, Senza peso-N, e Senza peso-P. Weightless-W opera nello spazio bianco della TV (TVWS) banda e ha una distribuzione più complessa. Weightless-N è simile a Sigfox, essendo un protocollo a banda stretta in esecuzione nella banda senza licenza sub-GHz, utilizzato da NWave. Complessivamente, Weightless-N e Weightless-P hanno ricevuto maggiore attenzione e implementazione rispetto a Weightless-W.

Collegamento Sinfonico

Symphony Link è un protocollo LPWAN sviluppato da Link Labs, una società membro della LoRa Alliance. Mentre Link Labs utilizza i chipset di livello fisico LoRa di Semtech, hanno implementato il proprio stack software di livello MAC personalizzato chiamato Symphony Link, invece di utilizzare la specifica LoRaWAN aperta.

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

Applicazioni delle tecnologie LPWAN

LPWAN è il vincitore in termini di portata e consumo energetico. L'utilizzo di LPWAN consente di raccogliere dati dai sensori in 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 automatizzata dei contatori utilizzano LPWAN per la raccolta wireless remota dei dati di consumo dei servizi pubblici, inclusa l'elettricità, gas, e acqua. Sono finiti i giorni in cui gli operatori dovevano controllare e registrare manualmente i dati. Gli utenti possono anche ottenere visibilità sulla quantità di dati sui consumi che utilizzano quotidianamente.

Edifici intelligenti

All'interno degli edifici, Gli LPWAN sono utilizzati in ambito residenziale, commerciale, e impianti industriali per renderli più intelligenti. Impostazioni domestiche, dispositivi domestici intelligenti come le serrature intelligenti, Sistemi HVAC, e l'illuminazione può essere integrata e gestita centralmente tramite LPWAN. Negli uffici e negli edifici commerciali, LPWAN consente di centralizzare il monitoraggio dell'occupazione dello spazio e dei sistemi di sicurezza come i sensori delle porte.

Gestione intelligente dei rifiuti

La gestione intelligente dei rifiuti sta diventando sempre più ampiamente utilizzata per le iniziative delle città intelligenti. I sensori installati all'interno dei bidoni della spazzatura possono monitorare i livelli di riempimento, trasmissione dei dati su LPWAN al sistema centrale. Quando vengono raggiunti i 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 tracker 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 negli spazi di parcheggio possono rilevare con precisione lo stato di occupazione. Gli utenti possono verificare i parcheggi disponibili tramite un'app mobile e pagare da remoto il parcheggio.

Agricoltura intelligente

Le LPWAN si stanno espandendo nei sistemi di agricoltura intelligente. Gli agricoltori possono installare vari sensori (umidità del suolo, temperatura, umidità, luce, eccetera.) nei campi. Possono quindi raccogliere dati in remoto da tali sensori utilizzando LoRaWAN o altri LPWAN come NB-IoT.

Confronto popolare tra LPWAN con licenza e senza licenza

Date le numerose tecnologie LPWAN disponibili, una selezione giudiziosa è cruciale. Secondo IoT Analytics’ stime di ricerche di mercato, di 2024, al di sopra di 97% dei sistemi LPWAN verranno implementati utilizzando LTE-M, NB-IoT, Sigfox, o tecnologie LoRa. Perciò, confronteremo la parte superiore 4 Tecnologie LPWAN: NB-IoT, LTE-M, Sigfox, e LoRa.

Una tabella comparativa di NB-IoT vs LTE-M vs LoRaWAN vs Sigfox

Fare la scelta LPWAN giusta

NB-IoT è una tecnologia 3GPP LPWAN che sfrutta le reti LTE/GSM esistenti per fornire connettività a larghezza di banda ridotta per i dispositivi IoT. Migliora il consumo energetico del dispositivo, capacità del sistema, efficienza dello spettro e prestazioni di copertura profonda, adatto all'industriale, automazione degli edifici, città intelligente, casi d'uso dell'IoT per il monitoraggio sanitario e la risposta alle catastrofi.

LTE-M si rivolge ad applicazioni simili a NB-IoT ma con una larghezza di banda maggiore per consentire velocità dati maggiori e una maggiore sicurezza, anche se a livelli di consumo energetico più elevati. È adatto alle applicazioni che richiedono un throughput più elevato come il monitoraggio video dove i vincoli di alimentazione sono meno rigorosi.

Sigfox e LoRaWAN sono tecnologie non 3GPP che operano nello spettro senza licenza. Le loro larghezze di banda ridotte consentono il funzionamento a bassissimo consumo energetico per la trasmissione poco frequente di piccoli carichi utili da endpoint che richiedono una durata della batteria di più anni, ma con vincoli di velocità dati bassi. Sigfox privilegia il basso consumo e la semplicità di implementazione, ma non dispone del downlink per gli aggiornamenti del firmware. LoRaWAN supporta la gestione bidirezionale dei dispositivi a basso costo. Entrambi possono servire all’agricoltura intelligente, tracciamento delle risorse e relativi scenari di monitoraggio IoT a basso rendimento.

LPWAN è il futuro

Come una nuova tecnologia in rapida evoluzione, il panorama LPWAN è in uno stato di sviluppo e non è ancora maturo. Con numerosi partecipanti al mercato, i vincitori non sono stati chiaramente stabiliti, soprattutto considerando il ritmo incerto dell’espansione del mercato. Anche le prestazioni a lungo termine di ciascuna variante LPWAN rimangono incerte, altrettanti sono ancora nelle fasi iniziali di implementazione in mancanza di una strategia completa, test su larga scala nel mondo reale.

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

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