Dalla macchina a vapore alla linea di produzione in fabbrica, le prime ondate della rivoluzione industriale rimodellarono radicalmente la civiltà umana. Oggi, siamo al culmine del prossimo cambiamento che definirà l’era – l’avvento dell’Internet delle cose (IoT). però, affinché la rivoluzione IoT prenda davvero piede, è necessario un tessuto di connettività affidabile – uno che può fornire ampio, copertura affidabile per i miliardi di sensori ed endpoint previsti. È qui che entra in gioco l’IoT a banda stretta (NB-IoT) entra nell'inquadratura.
Allora, cos’è esattamente NB-IoT?, e quali funzionalità uniche offre questo standard cellulare a banda stretta? E come si collega alle opzioni di connettività IoT esistenti? Immergiamoci.
Cos’è l’IoT a banda stretta?
Internet delle cose a banda stretta (NB-IoT) è un protocollo LPWAN standardizzato da 3GPP per abilitare un'ampia gamma di nuovi dispositivi e servizi IoT connessi tramite cellulare.
Offre un percorso wireless dedicato ottimizzato per l'IoT. Come suggerisce il nome, L'IoT a banda stretta utilizza una larghezza di banda molto ridotta, consentendo un'eccellente copertura estesa massimizzando al tempo stesso la durata della batteria dei dispositivi – I dispositivi NB-IoT possono raggiungere oltre 10 anni di durata della batteria.
Utilizzo di bande di spettro concesse in licenza come le bande 4G LTE, NB-IoT li ottimizza esclusivamente per la connettività IoT. Riqualificando le bande cellulari esistenti per l’uso NB-IoT anziché richiedere nuove allocazioni di spettro, questa tecnologia può essere rapidamente implementata dagli operatori di rete mobile.
Con eccellente estensione di copertura ed estrema efficienza energetica, NB-IoT consente a un'ampia gamma di nuovi dispositivi IoT di fornire dati ricchi con costi di manutenzione minimi, superare due ostacoli fondamentali all’adozione di massa dell’IoT. La rapida implementazione globale è già in corso, soprattutto in Asia, Europa e Nord America.
Architettura IoT a banda stretta e come funziona
NB-IoT è stato standardizzato in 2016 dal 3GPP in rilascio 13 per il funzionamento all'interno delle bande di spettro concesse in licenza di proprietà degli operatori di telefonia mobile. La comunicazione tra i dispositivi NB-IoT e la rete avviene entro una banda stretta designata di 200kHz, rispetto alle bande molto più ampie utilizzate dalla connettività cellulare standard.
L'architettura NB-IoT è costituita da dispositivi finali (sensori), stazioni base o punti di accesso, la rete principale e i server/piattaforme delle applicazioni. Componenti opzionali come i gateway possono essere utilizzati per connettere i nodi all'interno degli edifici o nel sottosuolo quando l'accesso diretto non è possibile.
NB-IoT ha tre modalità di distribuzione distinte per massimizzare la copertura su varie infrastrutture:
- In banda – Utilizza blocchi di risorse all'interno di un normale operatore LTE
- Banda di guardia – Utilizza blocchi di risorse inutilizzati all'interno di un normale operatore LTE
- Indipendente, autonomo – Utilizza un operatore autonomo nello spettro dedicato
Sfruttando l’infrastruttura e lo spettro cellulare esistenti, NB-IoT fornisce una soluzione IoT efficiente supportata dai principali fornitori di hardware e chipset a livello globale. Può coesistere con altre tecnologie cellulari come il 2G, 3sol, 4sol, LTE-M e 5G attraverso i suoi modelli di implementazione flessibili.
Quali sono i vantaggi e i limiti di NB-IoT
L’IoT a banda stretta offre immense capacità di connettività ma presenta anche alcuni vincoli tecnici. Comprendere sia i vantaggi che gli attuali svantaggi consente di impostare correttamente le aspettative e prendere una decisione informata su quando NB-IoT è la soluzione migliore per un'applicazione.
Vantaggi dell’IoT a banda stretta
- Basso consumo energetico– La potenza ultrabassa è ottenuta tramite una larghezza di banda di trasmissione ridotta e funzionalità di risparmio energetico dei periodi di trasmissione inattivi come PSM ed eDRX. Ciò supporta più anni di durata della batteria, essenziale per dispositivi remoti con accesso limitato all'alimentazione.
- Copertura e portata migliorate– Utilizzando un segnale a banda stretta e ritrasmissioni di pacchetti, NB-IoT raggiunge una connettività affidabile sia all'interno che nel sottosuolo. La sua portata raggiunge circa 1 km in ambito urbano, ~10 km in campagna – ideale per dispositivi remoti.
- Numero enorme di connessioni– Una stazione base NB-IoT può supportare oltre 50,000 dispositivi simultaneamente mediante una pianificazione efficiente delle finestre di trasmissione e di sospensione. Questa scalabilità supporta implementazioni di massa – vitale per le reti IoT su larga scala attraverso l’infrastruttura.
- Costo basso per dispositivo e implementazione– Riducendo al minimo la complessità del dispositivo alla sola connettività essenziale, L'hardware NB-IoT costa una frazione dei modem 4G/5G. Anche i piani dati di piccole dimensioni costano meno. Senza gateway richiesto e sfruttando le bande esistenti, le implementazioni sono molto più economiche rispetto alla creazione di reti LPWAN dedicate.
Limitazioni dell'IoT a banda stretta
- Trasmissione dati inferiore– NB-IoT ha larghezza di banda e velocità inferiori rispetto a LTE-M, mancanza di capacità per trasferimenti di dati elevati. Non può supportare applicazioni voce/video che richiedono un throughput elevato.
- Maggiore latenza– Confronta con 4G e 5G, NB-IoT riscontra un ritardo maggiore tra i pacchetti di dati trasmessi e ricevuti. Non è ottimale per i casi d'uso che richiedono tempo reale, comunicazione a bassa latenza.
- Mobilità limitata del dispositivo– Con larghezza di banda ridotta e velocità di uplink/downlink lente, NB-IoT è la soluzione migliore per dispositivi fissi o a mobilità molto ridotta. Gli handover rapidi tra celle di rete come 4G-LTE e 5G non sono supportati in modo efficiente.
- Meno copertura globale– L’implementazione di NB-IoT è ancora in espansione in molte regioni a livello globale. Attualmente, un numero inferiore di accordi di roaming per le reti NB-IoT rispetto ai dispositivi mobili limitano la copertura mondiale senza soluzione di continuità.
NB-IoT è sicuro o può essere violato
NB-IoT utilizza il comprovato quadro di sicurezza definito da 3GPP per le reti LTE. Ciò include l'autenticazione reciproca tra il dispositivo e la rete, crittografia over-the-air dei dati tramite chiavi di sessione, e aggiornamenti firmware firmati. Ulteriori strategie a livello di dispositivo, come la prova di manomissione e il rilevamento di anomalie, rafforzano ulteriormente la sicurezza.
Un altro vantaggio derivante dalla conformità agli standard 3GPP è che NB-IoT supporta sia gli attuali protocolli di sicurezza utilizzati sulle reti cellulari, sia eventuali nuove funzionalità aggiunte in futuro..
Mentre nessuna tecnologia è completamente immune da manomissioni o hacking, NB-IoT offre robuste misure di sicurezza standardizzate alla pari delle attuali reti mobili per proteggersi da una serie di minacce informatiche che si estendono fino ai dispositivi edge IoT.
Casi d'uso chiave e applicazioni di NB-IoT
Con la sua lunga durata della batteria, gamma espansiva, trasferimenti di piccoli pacchetti di dati, e una forte sicurezza – NB-IoT è una tecnologia ideale per il collegamento dei sensori, monitor, e attuatori nei sistemi infrastrutturali da abilitare:
Misurazione intelligente
Lettura remota del gas in tempo reale, utilizzo elettrico e idrico senza necessità di controlli manuali. Gli approfondimenti consentono un migliore risparmio energetico e il rilevamento delle perdite. Il basso consumo energetico e la portata migliorata di NB-IoT si adattano anche ai luoghi più difficili.
Città intelligenti
Sensori ambientali per la qualità dell'aria/acqua, monitoraggio del suono, traboccamento del contenitore dei rifiuti, monitoraggio dei parcheggi, monitoraggio delle infrastrutture, e un'illuminazione intelligente che si regola in base alle condizioni ambientali e al flusso di persone.
Monitoraggio ambientale
Campi agricoli, fiumi, natura selvaggia, e le condizioni delle aree protette di conservazione possono essere monitorate, operazioni sull'attrezzatura, intrusioni ecc. senza estese infrastrutture elettriche o di comunicazione.
Agricoltura intelligente
Sensori di umidità economici, monitor delle apparecchiature, i tester dei nutrienti del suolo collegati tramite NB-IoT offrono una migliore visibilità per ottimizzare l'irrigazione, fertilizzanti, e monitorare i raccolti.
Monitoraggio e gestione delle risorse
I convenienti tag NB-IoT alimentati a batteria monitorano la posizione e le condizioni dei veicoli, macchinari pesanti, articoli di trasporto restituibili (pallet, contenitori), e infrastrutture per risorse remote.
Case intelligenti
I sensori monitorano l'occupazione della stanza, temperatura, umidità, rumore, livelli di luce mentre i controller regolano l'HVAC, illuminazione, ed elettrodomestici basati automaticamente sulle condizioni e sui modelli di utilizzo per migliorare il comfort, sicurezza ed efficienza energetica.
Smart Healthcare
Il basso fabbisogno energetico e la connettività ad ampia area di NB-IoT sono ideali per migliorare la cura del paziente attraverso il monitoraggio remoto durante il trattamento. Un sistema di localizzazione in caso di caduta basato su NB-IoT consente una notifica tempestiva se i pazienti a rischio tentano di alzarsi o muoversi da soli. Il personale sanitario può essere allertato per assistere tempestivamente il paziente.
Le applicazioni si estendono a quasi tutti i settori, dai trasporti, all'energia, formazione scolastica, Al dettaglio, tra gli altri. Quasi tutto ciò che necessita di connettività a lungo termine per trasmissioni di dati a bassa larghezza di banda è potenzialmente adatto per NB-IoT.
Confronti tra NB-IoT e altre LPWAN
Sebbene esistano altre opzioni di rete IoT ad alta efficienza energetica, NB-IoT combina punti di forza che lo rendono il principale contendente per un'ampia varietà di implementazioni. Qui confrontiamo NB-IoT con altre tre tecnologie Wide Area Networking a basso consumo ampiamente utilizzate – LTE-M, Sigfox e LoRaWAN:
NB-IoT contro LTE-M
NB-IoT e LTE-M sono entrambe tecnologie cellulari LPWAN standardizzate da 3GPP per IoT. però, LTE-M supporta una larghezza di banda maggiore a 1,4 MHz con velocità di picco dei dati più elevate fino a 1 Mbps. LTE-M consente inoltre mobilità completa e supporto vocale a differenza di NB-IoT. Ma il compromesso è che LTE-M consuma più energia nonostante le ottimizzazioni come PSM ed eDRX.
Complessivamente, LTE-M si adatta alle applicazioni sensibili alla latenza che necessitano di una larghezza di banda maggiore, mentre NB-IoT è ideale per dispositivi statici o a movimento lento che inviano piccole quantità di dati non critici in termini di tempo. LTE-M richiede il pagamento di royalties ai titolari dei brevetti, ma NB-IoT evita i costi del gateway sfruttando lo spettro cellulare esistente. Gli standard sono complementari per i diversi casi d’uso dell’IoT – LTE-M per comunicazioni robuste e NB-IoT per un risparmio energetico elevato.
NB-IoT vs LoRa
Le differenze principali sono che NB-IoT opera nello spettro cellulare concesso in licenza come 4G LTE, mentre LoRa utilizza lo spettro senza licenza nelle bande ISM. Ciò significa che NB-IoT beneficia della sicurezza e dell’affidabilità delle reti cellulari, mentre LoRa offre maggiore flessibilità poiché chiunque può implementare la propria rete LoRa.
NB-IoT ha anche una latenza inferiore e un throughput più elevato rispetto a LoRa. però, LoRa ha una portata più lunga, minor consumo energetico, e minori costi dei moduli. LoRaWAN dà priorità alla riduzione al minimo del consumo energetico, raggiungere fino a 15+ anni di durata della batteria.
NB-IoT contro Sigfox
Sigfox è un'altra tecnologia LPWAN concorrente che utilizza lo spettro senza licenza nelle bande radio ISM. Utilizza la modulazione a banda ultra stretta per fornire comunicazioni a lungo raggio utilizzando pochissima energia.
Una differenza fondamentale tra NB-IoT e Sigfox è che NB-IoT ha una larghezza di banda maggiore, velocità dati più elevate, e una latenza inferiore rispetto a Sigfox. NB-IoT può offrire throughput fino a 250 kbps con latenza inferiore a 10 s. Sigfox ha un throughput massimo di 100 bps e una latenza tipica di 1-30 s. Inoltre, il trasferimento dei dati non ha un canale di ritorno ai dispositivi.
però, Sigfox presenta alcuni vantaggi in termini di semplicità e copertura globale. Le reti Sigfox sono più facili da implementare e hanno già raggiunto un’ampia copertura a livello globale. La copertura NB-IoT dipende dalle configurazioni LTE cellulari, quindi potrebbe essere più limitata.
| NB-IoT | LTE-M | LoRa | Sigfox | |
| Standardizzazione | 3GPP | 3GPP | Alleanza LoRa | ETSI |
| Larghezza di banda | 200 KHz | 1.4 MHz | 250 KHz | 100 Hz |
| Frequenza | Concesso in licenza | Concesso in licenza | Senza licenza | Senza licenza |
| Velocità di trasmissione dei dati | ＜ 250kbps | ＜ 1Mbps | ＜ 10kbps | ＜ 100bps |
| Latenza | medio | Basso | medio | medio |
| Gestione della mobilità | ❌ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Copertura estesa | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Consumo di energia | Medio Basso (Superiore a LoRa) | medio (Superiore a NB-IoT) | Molto basso | Basso |
| Reti private possibili | No | No | sì | No |
| Costo del modulo | $7-12 | $10-15 | $9-12 | $5-10 |
| Costo radiofonico | $ | $$$ | $ | $ |
Domande frequenti su NB-IoT
È previsto un costo per l'utilizzo dell'IoT a banda stretta?
sì – i piani dati vengono acquistati da operatori di telefonia mobile simili agli smartphone. però, date le dimensioni ridotte dei pacchetti, i costi possono essere ben inferiori $1 per dispositivo al mese. Le tariffe variano tra gli operatori in base a fattori come il numero di dispositivi e l'utilizzo dei dati.
NB-IoT è focalizzato sull'efficienza energetica?
Assolutamente – 10+ È possibile ottenere una durata della batteria di un anno consentendo endpoint alimentati interamente a batteria. Combinato con una copertura migliorata, ciò consente applicazioni precedentemente non possibili.
Qual è il tasso di latenza delle trasmissioni IoT a banda stretta?
La maggior parte dei trasferimenti di dati viene completata entro 1-10 secondi. Per esigenze sensibili di ritardo di cui 1 secondo, LTE-M è probabilmente la soluzione migliore.
