Collegamento wireless universale e a basso costo

Apertura LoRa

Lo scenario delineato da Internet of Things prevede miliardi di dispositivi collegati a Internet, ciascuno con un proprio indirizzo IP. Una connessione alla rete universale consente a ogni dispositivo, anche al più semplice come ad esempio un sensore installato in una fabbrica o una luce a Led presente in un'abitazione di caricare su base continua piccole raffiche di dati di stato in tempo reale e di agire in risposta a comandi inviati da un controllore remoto. La tecnologia per ottenere risultati del tipo appena descritto è già disponibile. Il protocollo IPv6 supporta un numero praticamente illimitato di indirizzi IP unici, mentre attraverso una rete di tipo cablata o wireless è possibile collegarsi a Internet da praticamente tutti i luoghi del Pianeta, anche da quelli quasi disabitati. Esiste comunque un ostacolo alla realizzazione di questo scenario che finora ha ricevuto scarsa considerazione: il modello economico per collegare dispositivi senza fili, mobile o difficili da raggiungere, a un punto di accesso a Internet. Mentre la copertura della rete di telefonia mobile si può definire praticamente universale nel mondo industrializzato, un piano per un servizio dati mobile ha un costo non indifferente. Esso può aver senso nel caso riguardi personale qualificato, come ad esempio venditori o tecnici addetti all'assistenza sul campo, oppure quando sono coinvolti beni costosi come ad esempio i container. La situazione cambia completamente nel caso dei milioni (o meglio miliardi) di dispositivi come sensori o azionamenti. Oggigiorno il costo di una connessione a un telefono mobile è assolutamente sproporzionato rispetto al costo del dispositivo. Questo è il motivo per cui gli Oem dovrebbero prendere in considerazione una nuova tecnologia collaudata per il collegamento wireless che garantisca una copertura su un'ampia area, oltre ad assicurare che i progetti dei nuovi dispositivi siano in grado di sfruttare l'opzione di connettività più economica che sarà disponibile nell'arco dei prossimi 24 mesi.


Piani di servizio: un costo elevato
La rete Internet è neutrale per quel che riguarda il trasporto. Un dispositivo può collegarsi attraverso una rete Ethernet cablata di un ufficio, un punto di accesso Wi-Fi domestico come pure mediante un palo d'antenna per telefoni mobili posto in un campo: per Internet non esiste differenza alcuna. Nel caso di una rete di sensori wireless o in analoghe applicazioni IoT, gli utenti saranno comunque portati a utilizzare i mezzi di connessione a più basso costo. Solitamente la scelta ricade su Wi-Fi o ZigBee (nel caso di connessioni wireless) o Ethernet (nel caso di connessioni cablate) laddove possibile. In ogni caso connessioni di questo tipo non sono disponibili nel caso di dispositivi mobili o remoti, che devono quindi sfruttare una rete di telefonia mobile per l’accesso a Internet. Nel momento in cui il costo di un piano di telefonia mobile per il servizio dati è pari a 25 dollari al mese, è chiaro che un modello finanziario di questo tipo per le reti di sensori wireless potrebbe non risultare sostenibile. La situazione, inoltre, è destinata a divenire ancora più critica in quanto gli operatori di reti mobili sono orientati a dismettere le reti Gsm (2G) legacy. Le strategie di business degli operatori di telefonia mobile sono strettamente legate alle richieste degli utilizzatori che esigono velocità di download sempre maggiori per supportare lo streaming video, la condivisione di file e fotografie e altre diffuse applicazioni. Per questo motivo gli operatori stanno effettuando notevoli investimenti nell’installazione di reti Lte 4G che permettono di utilizzare la banda larga in mobilità e garantiscono un’ampia copertura geografica. Per contro le più datate reti 2G non sono più appetibili in termini di ricavi, ragion per cui gli operatori tendono a eliminare i costi necessari al funzionamento e alla manutenzione degli apparati 2G e trasferire tutto il traffico dati sulle più recenti reti 3G e 4G. Ovviamente i piani di servizio legati alle reti 3G e 4G, in virtù della maggior velocità di trasmissione dati che sono in grado di offrire, sono ancora più costosi e quindi l’utilizzo dei servizi offerti dalla telefonia mobile appare sempre più al di fuori della portata delle reti di sensori wireless. Attualmente alcuni produttori di dispositivi sono orientati ad adottare una versione del concetto di IoT frutto di un compromesso. L’architettura del gateway prevede infatti che i dispositivi remoti o “senza fili” possano collegarsi in modalità wireless a un gateway. Per il collegamento al gateway possono essere impiegati diverse tecnologie, tra cui Wi-Fi, Bluetooth Low Energy o ZigBee, tutte esenti da licenze e che non prevedono costi di connessione (air time cost). Il gateway può collegarsi a Internet attraverso una linea fissa oppure richiedere una connessione mediante telefono mobile per l'accesso a Internet: in quest'ultimo caso l'elevato costo del piano di servizio è suddiviso tra decine o centinaia di dispositivi che utilizzano il gateway. Un'architettura di questo tipo può risultare adatta per alcune applicazioni, ma evidenzia alcuni svantaggi. Il principale è senza dubbio il range limitato del link tra il nodo e il gateway: Wi-Fi, Bluetooth Low Energy e ZigBee sono tutte connessioni caratterizzate da un range punto-punto limitato, solitamente inferiore a 100m. Una topologia di rete mesh complessa, che è supportata dal protocollo ZigBee, potrebbe essere in grado di ovviare in qualche misura a questo inconveniente ma solo nel caso in cui la distanza tra i vari nodi non sia mai superiore a 100 metri.Nelle applicazioni in cui vi sono nodi distribuiti o mobili su un'ampia area non è possibile utilizzare un'architettura come quella appena descritta. Esse infatti richiedono propri link dedicati su lunga distanza ai punti di accesso Internet. Oggi la metodologia più utilizzata prevede un modulo Gsm interfacciato a una rete telefonica mobile.

Connessione wireless a basso costo su un'area estesa
Oggi, quindi, il problema per gli Oem che producono dispositivi industriali è rappresentato dal fatto che esiste una sola tecnologia in grado di garantire una copertura praticamente universale: la rete telefonica mobile. Le altre tecnologie esistenti, come Wi-Fi, Bluetooth e ZigBee assicurano coperture su aree locali ma non hanno un carattere di universalità. Nei prossimi due anni la situazione è destinata a cambiare. Un'alleanza formata da due produttori di semiconduttori, Semtech e Ibm, hanno messo a punto un programma che prevede l'installazione di transceiver radio a bassa velocità di trasferimento dati operanti nella banda di frequenza Ism esente da licenze compresa tra 860 e 1020MHz sui pali d'antenna per telefonia mobile in tutto il mondo.
Questa nuova rete radio metterà a disposizione un canale wireless tra i dispositivi e il palo d'antenna, indipendente da qualsiasi rete telefonica mobile. Sul palo d'antenna il traffico sarà instradato sulla stessa infrastruttura di backhaul (ovvero del segmento di rete che collega le stazioni radio base alla rete di trasporto) utilizzato dalle reti telefoniche mobili, fornendo quindi un canale dati (data pipe) verso Internet. Una volta su Internet, i dati possono essere memorizzati ed elaborati nel cloud: il servizio cloud sarà fornito da un'azienda terza come ad esempio Amazon o da un fornitore di servizi dati M2M specializzato. L'elemento cruciale è rappresentato dal fatto che il costo legato all'uso della rete sviluppata da Semtech/Ibm per la comunicazione periodica a bassa velocità di trasferimento dati sarà verosimilmente molto inferiore rispetto a quello che prevede l'impiego di reti di telefonia mobili.
I fattori che permetteranno di conseguire sensibili risparmi rispetto al costo di 25 dollari al mese per dispositivo richiesto per l'utilizzo delle attuali reti telefoniche mobili sono:
- le trasmissioni radio effettuate utilizzando la rete messa a punto da Semtech/Ibm occupa una banda che non richiede il pagamento di licenze;
- le apparecchiature di rete sono ottimizzate per applicazioni che prevedono l'uso di sensori e azionamenti caratterizzati da bassa velocità di trasferimento dati;
- i concentratori radio possono sfruttare i pali d'antenna esistenti eliminando i costi di costruzione e di messa in servizio di altre infrastrutture.

La tecnologia LoRa
Il nucleo centrale di questa nuova rete è la tecnologia LoRa (Long Range) di Semtech: si tratta di uno schema di modulazione brevettato che a basse velocità di trasferimento dati è caratterizzato da un bilancio energetico del collegamento (link budget) che arriva a 157dB e ha dimostrato un'elevata affidabilità di funzionamento in ambienti semi-rurali a una distanza massima di 15 km. Visto che i transceiver per telefonia mobile montati sui pali d'antenna sono solitamente progettati per supportare celle con una copertura in un raggio massimo di 10Km, il range dei transceiver utilizzati dalla tecnologia LoRA è sufficiente a garantire una copertura universale una volta montati sui pali che sostengono le antenne per telefoni mobili esistenti. Le possibilità offerte dalla nuova rete LoRA sono decisamente interessanti e hanno suscitato un notevole interesse nel mondo industriale. Alcune aziende, tra cui Microchip, MultiTech e Imst hanno annunciato lo sviluppo di moduli transceiver per la tecnologia LoRA, mentre MultiTech e Kerlink si stanno concentrando sulla messa a punto dei concentratori (da montare sui pali d'antenna per i telefoni mobili).
La stessa Ibm ha garantito la compatibilità del proprio Software Development Kit Mote Runner con la serie di transceiver integrati SX127x che supportano la tecnologia LoRa di Semtech. Ciò significa che i sistemi basati sulla tecnologia LoRA degli Oem saranno in grado di utilizzare Mote Runner durante la fase di sviluppo dei prodotti. Mote Runner è una piattaforma aperta e semplice da programmare per lo sviluppo del software richiesto per collegare e controllare nodi sensori e azionamenti che utilizzano comunicazioni wireless. Una rete LoRA sperimentale formata da 5.000 nodi è già attiva in Francia e un'altra, composta da 2.000 nodi, è in fase di realizzazione a Swindon (Gran Bretagna). Al di fuori del Vecchio Continente, parecchie reti sperimentali sono in fase di realizzazione negli Stati Uniti, supportata dall'industria della telefonia mobile. Grazie al supporto di un colosso come Ibm questa tecnologia ha tutte le carte in regola per ottenere il supporto necessario da parte degli operatori di telefonia mobile e altre organizzazioni. La copertura a livello nazionale in alcuni Paesi europei e negli Stati Uniti è prevista per la fine del 2017.

Le implicazioni per gli Oem
A questo punto è utile esaminate le implicazioni per gli Oem. Grazie al minor costo su base mensile per dispositivo, molti utilizzatori di azionamenti, sensori e altri dispositivi industriali potranno ottenere notevoli benefici dall'accesso universale a Internet in modalità wireless. Le applicazioni sono numerose: trattamenti medici personalizzati, per esempio il monitoraggio dei malati di Alzheimer quando sono lontani da casa; silvicoltura e agricoltura, come nel caso di sensori impiantati negli animali da fattoria per avvertire l'allevatore di eventuali mutamenti corporei che indicano se un animale è malato, stressato o pronto per il parto; telemetria di un'apparecchiatura per consentire il monitoraggio virtuale del funzionamento di macchinari situati in località remote; trasporti, ad esempio per il monitoraggio di beni o di flotte. Mentre la rete LoRa proposta non è ancora universalmente disponibile, lo è la tecnologia in grado di supportare una rete di questo tipo. I transceiver sviluppati da Semtech (serie SX127x LoRa) sono disponibili in volumi di produzione presso Future Electronics, così come i moduli transceiver per la rete LoRA prodotti da Microchip, MultiTech e Imst. I produttori di dispositivi, quindi, dovrebbero prendere in considerazione l'eventualità di integrare il supporto per la tecnologia LoRA nei loro prodotti al fine di predisporli per soddisfare future esigenze. Ciascun dispositivo che attualmente integra un modulo transceiver per telefonia mobile dovrà necessariamente sostenere il relativo costo di un piano per il servizio dati. Un dispositivo in grado di supportare la tecnologia LoRA permette all'utente di passare da una rete telefonica mobile a una rete LoRA non appena questa è disponibile e iniziare subito a trarre beneficio dai notevoli risparmi che potrà conseguire su base mensile. Ciò si traduce ovviamente in un notevole vantaggio competitivo. L'alternativa, ovvero attendere la completa operatività della rete LoRA prima di implementare questa tecnologia nei dispositivi slave - vincola i clienti agli elevato costi del sevizio dati delle reti di telefonia mobile. La rete LoRA è ai nastri di partenza e sarebbe senza dubbio opportuno predisporre all'uso di questa tecnologia i prodotti destinati alle applicazioni IoT.

 

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