IoT a banda stretta: tutto quello che devi sapere sull'NB-IoT

Dalla macchina a vapore alla catena di montaggio in fabbrica, le prime ondate della Rivoluzione Industriale hanno radicalmente rimodellato la civiltà umana. Oggi ci troviamo all'alba del prossimo cambiamento epocale: l'ascesa dell'Internet of Things (IoT). Tuttavia, affinché la rivoluzione dell'IoT possa davvero affermarsi, è necessaria una rete di connettività affidabile, in grado di fornire una copertura estesa e affidabile per i miliardi di sensori ed endpoint previsti. È qui che entra in gioco l'IoT a banda stretta (NB-IoT).

Cos'è esattamente NB-IoT e quali funzionalità uniche offre questo standard cellulare a banda stretta? E come si relaziona alle opzioni di connettività IoT esistenti? Approfondiamo.

Che cos'è l'IoT a banda stretta?

L'Internet delle cose a banda stretta (NB-IoT) è un LWAN protocollo standardizzato da 3GPP per abilitare un'ampia gamma di nuovi dispositivi e servizi IoT connessi alla rete cellulare.

Offre un percorso wireless dedicato ottimizzato per l'IoT. Come suggerisce il nome, Narrowband IoT utilizza una larghezza di banda molto ridotta, consentendo un'eccellente copertura estesa e massimizzando al contempo la durata della batteria dei dispositivi: i dispositivi NB-IoT possono raggiungere oltre 10 anni di durata della batteria.

Utilizzando bande di spettro con licenza, come le bande 4G LTE, NB-IoT le ottimizza esclusivamente per la connettività IoT. Ridistribuendo le bande cellulari esistenti per l'utilizzo NB-IoT, anziché richiedere nuove allocazioni di spettro, questa tecnologia può essere rapidamente implementata dagli operatori di rete mobile.

Grazie all'eccellente estensione di copertura e all'estrema efficienza energetica, NB-IoT consente a un'ampia gamma di nuovi dispositivi IoT di fornire dati di alta qualità con costi di manutenzione minimi, superando due barriere chiave all'adozione di massa dell'IoT. La rapida implementazione globale è già in corso, soprattutto in Asia, Europa e Nord America.

Architettura Narrowband-IoT e come funziona

NB-IoT è stato standardizzato nel 2016 da 3GPP nella versione 13 per il funzionamento all'interno delle bande di spettro concesse in licenza dagli operatori di telefonia mobile. La comunicazione tra i dispositivi NB-IoT e la rete avviene all'interno di una banda stretta designata di 200 kHz, rispetto alle bande molto più ampie utilizzate dalla connettività cellulare standard.

L'architettura NB-IoT è composta da dispositivi finali (sensori), stazioni base o punti di accesso, la rete core e server/piattaforme applicative. Componenti opzionali come i gateway possono essere utilizzati per collegare i nodi all'interno degli edifici o nel sottosuolo quando non è possibile l'accesso diretto.

NB-IoT dispone di tre distinte modalità di distribuzione per massimizzare la copertura su diverse infrastrutture:

1. In-band – Utilizza blocchi di risorse all'interno di un normale operatore LTE
2. Banda di guardia: utilizza blocchi di risorse inutilizzati all'interno di un normale operatore LTE
3. Standalone – Utilizza un operatore autonomo nello spettro dedicato
4. 

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 2G, 3G, 4G, LTE-M e 5G grazie ai 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 definire correttamente le aspettative e di prendere una decisione consapevole su quando l'IoT a banda stretta sia la soluzione migliore per una determinata applicazione.

Vantaggi dell'IoT a banda stretta

• Basso consumo energetico– Il bassissimo consumo energetico è ottenuto grazie alla ridotta larghezza di banda di trasmissione e alle funzioni di risparmio energetico durante i periodi di inattività, come PSM ed eDRX. Questo garantisce una maggiore durata della batteria, essenziale per i dispositivi remoti con accesso limitato all'alimentazione.
• Copertura e portata migliorate– Utilizzando un segnale a banda stretta e la ritrasmissione dei pacchetti, NB-IoT garantisce una connettività affidabile sia in ambienti interni che sotterranei. La sua portata raggiunge circa 1 km in ambito urbano e circa 10 km in ambito rurale, ideale per dispositivi remoti.
• Numero enorme di connessioni– Una stazione base NB-IoT può supportare oltre 50,000 dispositivi contemporaneamente grazie a una pianificazione efficiente delle finestre di trasmissione e di sospensione. Questa scalabilità supporta implementazioni su larga scala, fondamentale per le reti IoT su larga scala in tutta l'infrastruttura.
• Costi ridotti per dispositivi e distribuzione– 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 e sfruttando le bande esistenti, le implementazioni sono molto più economiche rispetto alla costruzione di reti LPWAN dedicate.

Limitazioni dell'IoT a banda stretta

• Minore trasmissione di dati– NB-IoT ha una larghezza di banda e una velocità inferiori a LTE-M, non riuscendo a trasferire grandi quantità di dati. Non può supportare applicazioni voce/video che richiedono elevate velocità di trasmissione.
• Latenza maggiore– Rispetto al 4G e al 5G, la tecnologia NB-IoT presenta un ritardo maggiore tra la trasmissione e la ricezione dei pacchetti dati. Non è ottimale per i casi d'uso che richiedono comunicazioni in tempo reale e a bassa latenza.
• Mobilità limitata del dispositivo– Con una larghezza di banda ridotta e velocità di uplink/downlink ridotte, NB-IoT è ideale per dispositivi fissi o con mobilità molto ridotta. I passaggi di mano rapidi tra celle di rete come 4G-LTE e 5G non sono supportati in modo efficiente.
• Minore copertura globale– L'implementazione della tecnologia NB-IoT è ancora in fase di espansione in molte regioni del mondo. Attualmente, un numero inferiore di accordi di roaming per le reti NB-IoT rispetto a quelli per la telefonia mobile limita la copertura globale senza interruzioni.

NB-IoT è sicuro o può essere hackerato?

NB-IoT utilizza il collaudato framework di sicurezza definito da 3GPP per le reti LTE. Questo include l'autenticazione reciproca tra dispositivo e rete, la crittografia over-the-air dei dati tramite chiavi di sessione e aggiornamenti firmware firmati. Ulteriori strategie a livello di dispositivo, come la protezione antimanomissione e il rilevamento delle anomalie, rafforzano ulteriormente la sicurezza.

Un altro vantaggio della conformità agli standard 3GPP è che NB-IoT supporta sia i protocolli di sicurezza attuali utilizzati nelle reti cellulari sia tutte le nuove funzionalità che verranno aggiunte in futuro.

Sebbene nessuna tecnologia sia completamente immune da manomissioni o attacchi informatici, NB-IoT offre solide misure di sicurezza standardizzate, paragonabili alle attuali reti mobili, per proteggere da una serie di minacce informatiche che si estendono fino ai dispositivi edge dell'IoT.

Casi d'uso e applicazioni chiave di NB-IoT

Grazie alla lunga durata della batteria, all'ampia portata, ai piccoli trasferimenti di pacchetti di dati e alla sicurezza avanzata, NB-IoT è una tecnologia ideale per collegare sensori, monitor e attuatori tra sistemi infrastrutturali per consentire:

Misurazione intelligente

Lettura remota in tempo reale dei consumi di gas, elettricità e acqua senza necessità di controlli manuali. Le informazioni consentono un migliore risparmio energetico e il rilevamento delle perdite. Il basso consumo energetico e la portata estesa di NB-IoT si adattano anche a luoghi difficili.

Smart City

Sensori ambientali per la qualità dell'aria e dell'acqua, monitoraggio del suono, rilevamento del troppo pieno dei bidoni della spazzatura, monitoraggio dei parcheggi, monitoraggio delle infrastrutture e illuminazione intelligente che si regola in base alle condizioni ambientali e al flusso di persone.

Monitoraggio Ambientale

Campi agricoli, fiumi, aree selvagge e aree protette possono essere monitorati per verificarne le condizioni, il funzionamento delle attrezzature, le intrusioni ecc. senza dover ricorrere a infrastrutture di alimentazione o di comunicazione estese.

Agricoltura intelligente

Sensori di umidità economici, monitor per apparecchiature e misuratori dei nutrienti del terreno collegati tramite NB-IoT offrono una migliore visibilità per ottimizzare l'irrigazione e la fertilizzazione e monitorare le colture.

Monitoraggio e gestione delle risorse

I tag NB-IoT alimentati a batteria e dai prezzi accessibili monitorano la posizione e le condizioni di veicoli, macchinari pesanti, articoli di trasporto restituibili (pallet, container) e infrastrutture di risorse remote.

case intelligenti

I sensori monitorano l'occupazione della stanza, la temperatura, l'umidità, il rumore e i livelli di luce, mentre i controller regolano automaticamente HVAC, illuminazione ed elettrodomestici in base alle condizioni e ai modelli di utilizzo per migliorare il comfort, la sicurezza e l'efficienza energetica.

Assistenza sanitaria intelligente

Il basso consumo energetico e l'ampia connettività della tecnologia NB-IoT sono ideali per migliorare l'assistenza ai pazienti attraverso il monitoraggio remoto durante il trattamento. Un sistema di localizzazione delle cadute basato sulla tecnologia NB-IoT consente di ricevere una notifica tempestiva se i pazienti a rischio tentano di alzarsi o muoversi autonomamente. Il personale sanitario può essere avvisato per assistere tempestivamente il paziente.

Le applicazioni si estendono a quasi tutti i settori, dai trasporti all'energia, dall'istruzione alla vendita al dettaglio, tra gli altri. Quasi tutto ciò che necessita di connettività a lungo termine per trasmissioni dati a bassa larghezza di banda è potenzialmente adatto all'NB-IoT.

Confronti tra NB-IoT e altre LPWAN

NB-IoT contro LTE-M

NB-IoT e LTE-M sono entrambe tecnologie LPWAN cellulari standardizzate dal 3GPP per l'IoT. Tuttavia, LTE-M supporta una larghezza di banda maggiore a 1.4 MHz con velocità di picco dati più elevate, fino a 1 Mbps. LTE-M consente inoltre la piena mobilità e il supporto vocale, a differenza di NB-IoT. Tuttavia, lo svantaggio è che LTE-M consuma più energia, nonostante ottimizzazioni come PSM ed eDRX.

Nel complesso, LTE-M è ideale per applicazioni sensibili alla latenza che necessitano di maggiore larghezza di banda, mentre NB-IoT è ideale per dispositivi statici o lenti che inviano piccole quantità di dati non critici in termini di tempo. LTE-M richiede il pagamento di royalty ai titolari dei brevetti, ma NB-IoT evita i costi di gateway sfruttando lo spettro cellulare esistente. Gli standard sono complementari per diversi casi d'uso IoT: LTE-M per comunicazioni robuste e NB-IoT per un risparmio energetico elevato.

NB-IoT contro LoRa

Le differenze principali sono che NB-IoT opera su spettro cellulare con licenza come il 4G LTE, mentre LoRa utilizza spettro non concesso 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 offre inoltre una latenza inferiore e una velocità di trasmissione superiore rispetto a LoRa. Tuttavia, LoRa offre una portata maggiore, consumi energetici inferiori e costi dei moduli inferiori. LoRaWAN privilegia la riduzione al minimo dei consumi energetici, raggiungendo una durata della batteria fino a oltre 15 anni.

NB-IoT contro Sigfox

Sigfox è un'altra tecnologia LPWAN concorrente che utilizza spettro non concesso nelle bande radio ISM. Utilizza una modulazione a banda ultra stretta per fornire comunicazioni a lungo raggio con un consumo energetico minimo.

Una differenza fondamentale tra NB-IoT e Sigfox è che NB-IoT offre una maggiore larghezza di banda, velocità di trasmissione dati più elevate e una latenza inferiore rispetto a Sigfox. NB-IoT può offrire una velocità di trasmissione fino a 250 kbps con una latenza inferiore a 10 secondi. Sigfox ha una velocità di trasmissione massima di 100 bps e una latenza tipica di 1-30 secondi. Inoltre, il trasferimento dati non prevede un canale di ritorno verso i dispositivi.

Tuttavia, Sigfox offre alcuni vantaggi in termini di semplicità e copertura globale. Le reti Sigfox sono più facili da implementare e hanno già raggiunto un'ampia copertura globale. La copertura NB-IoT dipende dalle implementazioni LTE cellulari, quindi potrebbe essere più limitata.

Domande frequenti su NB-IoT

L'utilizzo di Narrowband-IoT è a pagamento?

Sì, i piani dati vengono acquistati dagli operatori di telefonia mobile, proprio come gli smartphone. Tuttavia, date le dimensioni ridotte dei pacchetti, i costi possono essere ben inferiori a 1 dollaro al mese per dispositivo. Le tariffe variano da operatore a operatore in base a fattori come il numero di dispositivi e il consumo di dati.

NB-IoT si concentra sull'efficienza energetica?

Assolutamente sì: è possibile raggiungere una durata della batteria di oltre 10 anni, consentendo endpoint alimentati interamente a batteria. In combinazione con una copertura migliorata, questo consente applicazioni precedentemente impossibili.

Qual è il tasso di latenza delle trasmissioni IoT a banda stretta?

La maggior parte dei trasferimenti dati viene completata entro 1-10 secondi. Per esigenze con ritardi inferiori a 1 secondo, LTE-M è probabilmente la soluzione migliore.