Connettività wireless: è l’ora delle reti Lpwan

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Esistono oggi opzioni sempre più interessanti per implementare collegamenti di tipo wireless nelle reti di sensori e in numerose altre applicazioni Internet of Things. Per un decennio o forse più, le reti di telefonia mobile (cellulari) hanno rappresentato l'unica tecnologia di comunicazione wireless universale disponibile per produttori e operatori di apparecchiature M2M in grado di garantire una copertura praticamente globale in ogni regione abitata del pianeta. Nel caso delle applicazioni M2M, si è deciso di utilizzare la tecnologia GPRS come base per la connessione alla rete di telefonia mobile, mentre le più recenti tecnologie 3G e 4G (di terza e quarta generazione) garantiscono velocità di trasferimento sempre maggiore a fronte di un aumento dei costi di connessione. Tutte queste tecnologie per telefoni mobili evidenziano svantaggi non indifferenti per gli utilizzatori di apparecchiature M2M: la velocità di trasmissione dati è molto più elevata rispetto a quella richiesta da un gran numero di applicazioni M2M per cui i moduli cellulari integrati nelle apparecchiature IoT sono sovra-specificati e quindi troppo costosi per tali applicazioni. Senza dimenticare che le elevate tariffe che gli operatori di reti mobili impongono per collegare anche il più semplice dei dispositivi wireless sono proporzionali alle elevate velocità di trasferimento dati che la rete può supportare. Un altro aspetto da tenere in considerazione è che le prestazioni offerte dalla tecnologia per telefoni mobili tendono a deteriorarsi in condizioni ambientali severe o estreme. In sintesi, nella maggioranza delle applicazioni M2M, l'utilizzo di una rete di telefonia mobile per garantire la copertura wireless universale risulta costoso. Gli utenti hanno ora la possibilità di scegliere tra due nuove tipologie di reti Wan (Wide Area Network) ciascuna delle quali garantisce sensibili risparmi in termini di costi rispetto alle reti di telefonia mobile. Scopo dell'articolo è confrontare queste nuove tecnologie per applicazioni M2M evidenziando pregi e difetti.


Bassi consumi abbinati a una copertura geografica
Entrambe le reti oggetto dell'articolo rientrano in una nuova categoria di rete universale denominata Lpwan (Low-Power Wide-Area Network) pubblica. Il nome, in realtà, suona un po' paradossale: gli approcci di tipo tradizionale alla connettività wireless suggeriscono che un dispositivo di rete non dovrebbe essere in grado di operare con consumi ridotti mentre contemporaneamente sta trasmettendo su lunghe distanze. La topologia dei due tipi di reti è la stessa di quella utilizzata dalle tecnologie per telefonia cellulare, ovvero del tipo a stella con una stazione Bts (Base Transceiver Station) al centro. A differenza dei sistemi 2G, 3G o 4G, una rete Lpwan adotta uno schema di modulazione che "penalizza" la velocità di trasmissione dati (throughput) al fine di garantire una maggiore tolleranza nei confronti delle interferenze e dell'attenuazione del segnale. In questo modo la potenza di trasmissione (in uscita) potrà essere molto bassa. Nello stesso tempo la tecnologia richiede ricevitori caratterizzati da una sensibilità molto elevata al fine di mantenere una connessione in presenza di segnali di ingresso relativamente deboli. In altre parole, a differenza di una rete di telefonia mobile, una rete Lpwan è ottimizzata per l'utilizzo in applicazioni M2M e IoT, che richiedono bassi consumi e ridotta velocità di trasferimento dati. Di conseguenza una cella Lpwan può garantire un'ampia copertura, potenzialmente persino superiore rispetto a quella di una cella di telefonia mobile, utilizzando una potenza inferiore.

Una rete pubblica sulla rampa di lancio
Entrambe le nuove tecnologie Lpwan operano a frequenze comprese nelle bande Ism esente da licenze. A differenza degli operatori di reti di telefonia mobile, quindi, gli operatori di reti Lpwan non devono acquistare costose licenze per l'assegnazione di bande dello spettro radio. Nonostante ciò, il costo per creare un'infrastruttura wireless pubblica è notevole e il tempo richiesto per raggiungere un grado di copertura tale da permettere alle nuove reti Lpwan pubbliche di soddisfare le esigenze di una vasta platea di utenti (e non solo di una nicchia) è considerevole. Ora, però, le due tecnologie Lpwan si propongono come una valida alternativa per Oem e utilizzatori. La prima tecnologia è SigFox mentre la seconda è LoRa, una tecnologia Lpwan sviluppata da Semtech, azienda produttrice di semiconduttori.

Funzionamento delle reti pubbliche SigFox
La rete pubblica SigFox copre Francia, Spagna, Gran Bretagna e Paesi Bassi e a partire dal mese di luglio del 2015 sono state condotte numerose prove sul campo in numerose città in tutto il mondo, mentre l'installazione di una rete su scala nazionale è stata avviata in Portogallo, Danimarca, Belgio e Stati Uniti. L'obiettivo di SigFox prevede la copertura su scala nazionale in oltre 60 Paesi entro il 2020. In Francia, SigFox possiede e gestisce la rete, sviluppa l'ecosistema locale e vende abbonamenti ai servizi di comunicazione, mentre in altri Paesi queste attività sono demandate alla responsabilità di partner Sno (SigFox Network Operator). Gli operatori Sno forniscono un servizio di comunicazione end-to-end che trasferisce in modo sicuro i dati dai dispositivi remote agli application server degli utilizzatori. Esso offre un'interoperabilità nativa e il supporto per il roaming, elementi critici per garantire la connettività su scala globale dei dispositivi IoT. Grazie alla topologia tipica della tecnologia SigFox e alla propagazione del segnale su lunghe distanze, l'investimento richiesto per implementare una rete SigFox è molto minore rispetto a quello necessario per i sistemi cellulari tradizionali, consentendo in tal modo agli operatori SNO di fornire la connettività agli utenti Oem a prezzi accessibili. Un Oem che desidera abbonarsi alla rete pubblica SigFox deve disporre di un modulo client che fa girare lo stack client SigFox e un transceiver radio operante a 868MHz in grado di effettuare la modulazione Dbpsk (Differential Binary Phase-Shift Keying) per l'uplink la modulazione Gfsk (Gaussian Frequency Shift Keying) per il downlink. Alcuni Oem potrebbero decidere di sviluppare in proprio il progetto o il modulo mentre molti altri opteranno per un modulo Cots già pronto all'uso certificato SigFox Ready. I gateway e tutto il software per il collegamento in rete e applicativo per il trasporto dei dati sono forniti da SigFox al fine di assicurare la medesima qualità di fruizione indipendentemente dal Paese in cui gli oggetti stanno comunicando. Poiché secondo SigFox la distanza di trasmissione in campo aperto può essere superiore a 15 km, è possibile creare una rete con copertura universale utilizzando un numero relativamente ridotto di celle. Più stazioni base possono ricevere e trasmettere lo stesso messaggio: questa diversità in ricezione nativa abbinata alla reiezione dell'interferenza dei segnali a banda ultra-stretta (UNB – Ultra Narrow Band) contribuisce a garantire un'elevata affidabilità della trasmissione. La ridotta spaziatura tra i canali nella trasmissione in uplink (ovvero verso la rete) implica un'elevata selettività della stazione base. Questa è resa possibile dall'adozione di ricevitori Sdr (Software-Defined Radio) cognitivi (che cioè effettuano una scansione dinamica dello spettro radio). In questo modo è possibile ridurre la complessità del modem del prodotto finale, che per l'Oem si traduce in una riduzione dei costi di implementazione. SigFox non utilizza uno schema di modulazione proprietario per cui produttori di semiconduttori e costruttori di moduli possono realizzare trasmettitori e transceiver conformi alle specifiche SigFox. Un esempio è rappresentato dalla famiglia di prodotti SigFox compatibili della famiglia ATA8520x di Atmel, la quale ha anche annunciato l'introduzione di un transceiver RF SigFox completamente integrato. I moduli SigFox di tipo Cots sono caratterizzati da una sensibilità massima pari a -126dBm. La potenza di uscita irradiata per la banda Ism è stata stabilita da Etsi ed è pari a 14dBm.

SigFox: prestazioni, costi e limitazioni
In un sistema SigFox il numero di trasmissioni giornaliero è limitato a 140 messaggi in uplink, ciascuno composto da un massimo di 12 byte, e a soli 4 messaggi in downlink, composti da un massimo di 8 byte. La latenza è dell'ordine di 3-5 ms. Sulla base di queste caratteristiche, SigFox è adatta all'uso in applicazioni che prevedono una trasmissione occasionale di piccoli pacchetti di dati, in cui quindi il sistema resta per lunghi periodi in uno stato di inattività (power-down) al fine di preservare la durata della batteria. I contatori per la contabilizzazione dei consumi sono un ottimo esempio di un tipico esempio di una rete SigFox. Gli utenti di SigFox devono pagare una quota annuale per ciascun nodo per la fornitura dei servizi di comunicazione di rete. Questa quota annuale è determinata dagli operatori di rete in ogni Paese ma SigFox sottolinea che in ogni caso gli utenti possono beneficiare di prezzi estremamente competitivi abbinati a consumi di potenza minimi.

Implementazione di una rete Wan LoRa
Il percorso che ha portato allo sviluppo della rete LoRA (abbreviazione di Long Range) universale è differente da quello seguito da SigFox. Basata sulla tecnica Css (Chirp spread spectrum), LoRA è in grado di variare la lunghezza del cosiddetto fattore di spreading (compreso tra 6 e 12 bit) e l'ampiezza di banda in funzione della bit rate (ovvero il numero di bit trasmessi al secondo) richiesta nel range compreso tra 20bit/s a 41kbit/s. Tecnologia realmente innovativa che fissa un nuovo punto di riferimento in termini di distanza di trasmissione e di consumi di potenza, la tecnologia LoRa adotta uno schema di modulazione digitale completamente asincrono. A differenza di SigFox, la tecnologia LoRa può essere utilizzata in reti sia private sia pubbliche. Le elevate prestazioni che la tecnologia LoRA è in grado di offrire sono testimoniate dalla sua capacità di ricevere segnali fino a -22dB al di sotto della soglia del rumore di fondo, abbinata alla reiezioni dei canali adiacenti di almeno 69dB con un offset di 25kHz, un valore migliore di 30dB rispetto a quello che si ottiene utilizzando la modulazione FSK a 868MHz sui medesimi transceiver. Un tempo le radio in banda Ism destinate ad applicazioni industriali e operanti a frequenze inferiori a 1GHz erano caratterizzate da un range in campo aperto limitato a 2 km. Per gli utenti che operano in campo industriale e utilizzano reti private chiuse Semtech ha introdotto transceiver per reti LoRA in grado di supportare un range di trasmissione di 15 km tra un nodo e un gateway. Prestazioni come quelle appena descritte si possono ottenere utilizzando i transceiver RF SX1272 di Semtech, operante nel range di frequenza di 860-1,020 MHz, e SX1276 che opera in un range più ampio, compreso tra 137 e 1.020 MHz. Nel transceiver SX1276 la sensibilità è pari a -148 dBm (valore di picco). Pubblica o privata che sia, una rete LoRa richiede la presenza di un concentratore posto al centro della topologia a stella mentre la comunicazione è bi-direzionale alternata (half duplex) in modo nativo. Il numero di nodi collegati a un concentratore dipende dall'applicazione e, più precisamente, dal numero di pacchetti che devono essere trasmessi in un determinato periodo di tempo. Per le applicazioni caratterizzate da un elevato numero di nodi terminali, Semtech ha sviluppato una soluzione ad hoc per il concentratore che prevede l'uso del chipset in banda base ad alta efficienza SX1301 e da due modulatori I/Q SX1257 I/Q. Un concentratore realizzato a partire da questi chip è in grado di gestire fino a 10.000 nodi.

La tecnologia LoRa in reti Lpwan pubbliche
Recentemente Semtech ha collaborato con diversi partner, tra cui Ibm e Actility, allo sviluppo di uno stack di protocolli per reti di grandi dimensioni basato sulla propria tecnologia denominato LoRa_Wan. Esso è formato da un client, un server e un firmware per l'inoltro dei pacchetti (packet forwarding). La disponibilità di LoRa_Wan semplificherà l'introduzione di un gran numero di reti LoRA pubbliche e private di grandi dimensioni in un prossimo futuro. La diffusione sul mercato delle reti LoRA è supportato da LoRA Alliance, un'associazione fondata nel dicembre del 2014 che raggruppa numerosi produttori moduli per nodi terminali tra cui Semtech, IMST, Microchip, Multi Tech, Link Labs ed Embit; produttori di concentratori che utilizzano il chipset SX1301 tra cui IMST, Kerlink, MultiTech ed Embit; vari operatori di infrastrutture di rete; Ibm e Actility, fornitori di server cloud su cui gira il software LoRa_Wan_Server. Grazie a LoRA Alliance e alla disponibilità dello stack di protocolli LoRa_Wan gli operatori di rete, compresi gli attuali operatori di reti mobile, possono disporre di un ecosistema che permette loro di ridurre i costi e accelerare l'installazione e la messa in esercizio (deployment) di reti pubbliche LoRA. Grazie alla disponibilità di moduli concentratori proposti da costruttori come Kerlink, Embit, Imst e MultiTech è possibile sviluppare in tempi rapidi l'hardware per la realizzazione di stazioni radio base che supportano la tecnologia LoRA. I concentratori forniti da Future Electronics sono corredati con il software Ibm o Actility giù pre-caricato. Nel caso di utenti che desiderino collegare dispositivi su una rete privata, piuttosto che sfruttare una rete LoRA pubblica con la copertura richiesta, il software disponibile a bordo permette di accelerare e semplificare l'implementazione della rete stessa. A questo punto vale la pena segnalare che la possibilità di realizzare reti private non è prevista per gli utilizzatori della tecnologia SigFox.
Grazie al range di trasmissione di 15 km in campo aperto tra un concentratore e un nodo previsto dalla tecnologia LoRa è possibile creare celle di grandi dimensioni che permettano di ottenere rapidamente la copertura su una vasta area. Tutte le comunicazioni su una rete LoRA sono sicure grazie all'utilizzo della cifratura Aes con chiave a 128 bit. Lo stack dei protocolli LoRa_Wan gestisce la velocità di trasferimento dati e la potenza di uscita in maniera adattativa al fine di ottimizzare sia i consumi di potenza sia l'intensità del segnale. Ciò significa che una rete pubblica implementata con lo stack LoRA_Wan è in grado di offrire agli utilizzatori tutti i benefici (consumi ridotti, basso costo ed elevate sicurezza) intrinseci della tecnologia LoRA. Sono già numerosi i fornitori di servizi che hanno adottato questa tecnologia. Orange, uno dei principali operatori di reti mobili su scala mondiale, ha deciso di utilizzare la tecnologia LoRA per le reti Lpwan installate in Francia nel primo trimestre del 2016. Orange utilizzerà la rete per applicazioni smart city in numerose città francesi.

Utilizzo delle nuove opzioni per l'installazione di reti Lpwan
Le due nuove tecnologie per reti Lpwan evidenziano molti punti in comune e alcune differenze. Tutti gli utenti che richiedono costi contenuti e una copertura wireless su lunghe distanze per nodi terminali che devono operare per anni con batterie di piccole dimensioni sono stati finora ostacolati dalle onerose tariffe richieste dagli operatori e dall'elevato livello di potenza in trasmissione che caratterizza i chipset dei modem dei telefoni cellulari. In modi differenti, LoRa e SigFox mettono a disposizione degli utenti industriali una soluzione che permette loro di ridurre costi e consumi nelle applicazioni IoT e M2M. Giorno dopo giorno, nuovi prodotti e reti che utilizzano le tecnologie LoRA e SigFox si affacciano alla ribalta: per tale motivo può essere utile, sia per gli Oem che realizzano apparecchiature industriali sia per altre tipologie di utilizzatori, il ricorso a esperti nel settore delle reti M2M wireless come agli specialisti della divisione Future Connectivity Solutions di Future Electronics, prima di decidere quale sia il modo migliore per implementare la tecnologia Lpwan nella loro applicazione.

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