Protocolli wireless per applicazioni IoT: una panoramica

È indubbio che la connettività wireless è l’elemento basilare per l’implementazione delle applicazioni IoT (Internet of Things). Grazie a essa è possibile posizionare azionamenti e nodi sensore nei luoghi dove è richiesta la loro presenza e farli comunicare con server o altri dispositivi posti nelle vicinanze nel momento stesso in cui vengono installati. Il primo fattore da prendere in considerazione è la distanza. I dispositivi utilizzati all’interno degli edifici spesso utilizzano reti a corto raggio e sfruttano le caratteristiche di semplicità e di basso consumo dei protocolli ottimizzati per questo tipo di ambienti. L’installatore può generalmente contare sulla presenza di gateway posti nelle vicinanze in grado di trasmettere dati a Internet. I sensori utilizzati in applicazioni quali agricoltura “intelligente” oppure per il monitoraggio dei servizi di pubblica utilità richiedono distanze di trasmissione maggiori perché, in questi casi, un gateway o una stazione base possono essere posizionati a una distanza di parecchi chilometri.

Nel settore delle trasmissioni a corto raggio, sono sostanzialmente due le tecnologie che hanno conquistato una posizione predominante nel campo delle comunicazioni wireless. Entrambe sfruttano i vantaggi derivati dalla loro diffusione su larga scala nel mercato dell’elettronica di consumo. Per queste tecnologie, inoltre, è previsto un programma di miglioramenti e aggiornamenti su base regolare e continuativa. Sebbene il protocollo originario sia stato sviluppato per le reti PAN (Personal Area Network) utilizzate per applicazioni telefoniche, lo sviluppo di Bluetooth Low Energy (BLE) ha aperto la strada all’implementazione di un’ampia gamma di applicazioni. In precedenza, per i dispositivi IoT la scelta era limitata a protocolli di nicchia come ZigBee per l’automazione domestica o 6LowPAN per l’automazione industriale. Bluetooth Low Energy ora è in grado di garantire la compatibilità con 6LowPAN e supportare parecchie delle caratteristiche chiave sviluppate in origine per ZigBee.

Supporto per reti a maglia

Una di queste caratteristiche è il cosiddetto “mesh networking” (ovvero il supporto di reti a maglia). Bluetooth fin dal 2013 prevedeva l’opzione Scatternet che permetteva ai nodi di commutare tra le modalità master e slave per conferire agli stessi un maggior grado di flessibilità. Un nodo “intelligente”, per esempio, potrebbe acquisire dati da parecchi dispositivi semplici e quindi trasmettere questi dati su uno smartphone agendo temporaneamente come slave. La funzionalità di mesh networking ora disponibile in Bluetooth consente di espandere in maniera semplice il range di un singolo gateway utilizzando i nodi intermedi come “punti di sosta” (staging point) per i pacchetti.

Bluetooth 5, introdotto nella primavera del 2016, è caratterizzato da alcuni miglioramenti che permettono di adattare il range in funzione della velocità di trasferimento dati (datarate) massima. Grazie all’uso di un protocollo adattativo, il range può essere aumentato di un fattore pari a circa 4 volte rispetto a quello previsto per Bluetooth 4.2, mentre la velocità di trasferimento dati è pari a circa 125 kb/s. Ipotizzando di essere in un ambiente esterno privo di ostacoli (LoS – Line of Sight), questa distanza può arrivare a circa 200 metri. Per dispositivi più strettamente spaziati tra di loro, la velocità di trasferimento dati massima può arrivare a 2 Mb/s, anche se l’overhead del pacchetto solitamente riduce la velocità di trasferimento per il payload (ovvero il carico utile) a un valore di picco pari a circa 1,6 Mb/s.

Per il traffico IoT a elevata velocità di trasferimento dati Wi-Fi ora si propone come una valida opzione. I costi dei transceiver sono diminuiti drasticamente e il supporto disponibile per il protocollo permette l’uso di router domestici tradizionali per l’accesso a Internet al posto di gateway specifici. Fin dall’inizio, Wi-Fi è stato concepito per fornire una comunicazione a elevata ampiezza di banda ai dispositivi mobili. La disponibilità della banda a 5 GHz in aggiunta a quella ISM (industrial, scientific and medical) a 2,4 GHz utilizzata dal protocollo Wi-Fi originale, Bluetooth, 6LowPAN e Zigbee garantisce l’accesso a una porzione meno congestionata dello spettro RF. Ciò è particolarmente utile in tutte le applicazioni che richiedono un trasferimento continuo di dati ad alta velocità.

DECT ULE, basso consumo per dispositivi IoT

Sebbene per numerose applicazioni IoT, anche quelle che richiedono una comunicazione a elevata ampiezza di banda per la trasmissione di dati audio o video in real-time, sarebbe possibile utilizzare versioni di Wi-Fi più datate, spesso appare ragionevole la standardizzazione sulla versione 802.11ac. Quest’ultima fa ricorso a più antenne per aumentare la velocità di trasferimento dati aggregata fino ad almeno 1 Gb/s nella banda a 5 GHz. I dispositivi IoT che supportano lo standard 802.11ac contribuiranno a garantire il mantenimento della più elevata velocità di trasferimento possibile consentendo a un router domestico (o installato in un ufficio) di sfruttare appieno la diversità nello spazio (antenna diversity). Il ricorso a un protocollo più lento e datato può rallentare l’intera rete quando il dispositivo IoT è attivo. Parecchi dispositivi IoT prevedono la possibilità di utilizzare sia Wi-Fi sia Bluetooth in quanto il costo legato al supporto di entrambi è solo di poco superiore a quello del solo transceiver Wi-Fi.

Questa caratteristica può essere sfruttata per semplificare alcuni compiti come per esempio l’installazione. Dapprima è possibile utilizzare una semplice connessione Bluetooth verso una app ospitata da un dispositivo mobile per l’impostazione del dispositivo stesso. Una volta configurato, esso può essere commutato su Wi-Fi per il trasferimento dei dati. Un’opzione che sta emergendo in questi ultimi tempi è DECT ULE (Ultra Low Energy). Rispetto a molti protocolli a corto raggio per applicazioni IoT, esso ha il vantaggio di avere uno spettro RF dedicato invece di condividere l’accesso nella banda ISM a 2,4 GHz. Il range di DECT ULE può arrivare a 300 metri per le applicazioni all’aperto e a 50 metri per quelle al coperto. Il protocollo DECT prevede la possibilità di cooperazione tra diversi gateway in modo da estendere il range di una singola rete a distanze molto superiori a 300 metri. Sebbene DECT sia stato sviluppato in origine per la telefonia wireless, la versione ULE mette a disposizione una tecnologia di comunicazione a basso consumo per i dispositivi IoT.

Il protocollo LoRa

In un ambiente che prevede trasmissioni su corte distanze, il gateway è di norma gestito dall’utente. In ambito LPWAN (Low Power Wide Area Network) il gateway può essere privato ma l’accesso può essere effettuato anche attraverso reti pubbliche. LoRa è un esempio di protocollo che supporta entrambe le scelte. Basato su un transceiver sviluppato da Semtech, azienda operante nel settore dei semiconduttori, LoRa utilizza lo spettro privo di licenze e dà la possibilità agli utilizzatori di installare e mettere in esercizio (deploy) i propri gateway oppure di far comunicare i loro dispositivi attraverso reti di terze parti.

Alcune città hanno sviluppato reti basate su LoRa che sono accessibili gratuitamente e sono comparsi fornitori di servizi che affittano l’accesso ai loro gateway. Al fine di evitare problemi legati alle interferenze provocate da altri utilizzatori che sfruttano la medesima banda RF, LoRa utilizza uno schema di modulazione a dispersione di spettro (spread spectrum) che supporta velocità di trasferimento dati comprese tra 300 b/s e 50 kB/s. La distanza di trasmissione può arrivare a 10 km, mentre l’uso di frequenze relativamente basse permette di raggiungere dispositivi collocati sottoterra come per esempio i contatori dell’acqua.

Per la banda ultra-stretta c’è Sigfox

Sigfox utilizza trasmissione a banda ultra-stretta (ultra narrowband) al fine di aumentare il range fino a 50 km nelle aree rurali. Mentre LoRa è stato progettato per supportare comunicazioni bidirezionali, Sigfox è ottimizzato per trasferimenti a bassa velocità in una direzione, solitamente dal nodo sensore verso il server. Le velocità di trasferimento dati variano da 10 b/s a 1 kb/s. Sigfox non è comunque completamente uni-direzionale: questo protocollo supporta anche pacchetti ACK (Acknowledgement – riconoscimento) in modo che il nodo sensore possa determinare se una comunicazione è stata ricevuta, così da poter essere utilizzato in applicazioni come per esempio allarmi di sicurezza.

Uno dei vantaggi del trasferimento prevalentemente uni-direzionale del protocollo Sigfox è la riduzione dei consumi di potenza del nodo sensore, con conseguente incremento della durata della batteria. Poiché il nodo devono solo aspettare i pacchetti ACK, che sono ricevuti in tempi molto brevi dopo la trasmissione, non è necessario che il nodo si «svegli» su base regolare per porsi in ascolto dei downlink provenienti dal gateway. Mentre LoRa offre agli utenti la possibilità di impiegare i loro gateway, tutte le comunicazioni su Sigfox passano attraverso i gateway della società. Ciò se da un lato penalizza in qualche misura la flessibilità operativa, dall’altro ha il vantaggio di consentire agli utenti di appoggiarsi a un unico fornitore che rende disponibile il supporto per questa rete in un gran numero di Paesi.

Comunicazione Machine-to-Machine

La connettività cellulare è ampiamente utilizzata nelle applicazioni M2M (Machine-to-Machine). Negli ultimi anni l’industria ha incrementato l’offerta GPRS base con un’ampia gamma di protocolli che supportano velocità di trasferimento dati più elevate o il funzionamento a basso consumo. Uno dei principali vantaggi della connettività cellulare è rappresentato dal fatto che gli operatori sono in grado di gestire problemi di congestione e interferenze in modo più rapido ed efficace di quanto sia possibile nel caso dello spettro privo di licenze, con un impatto sicuramente positivo sull’affidabilità sul lungo periodo. La natura aperta dei protocolli permette di scegliere tra una vasta gamma di dispositivi a semiconduttore e moduli RF compatibili. La prima evoluzione è stata determinata dall’avvento di Enhanced Coverage GSM, che ha permesso ai segnali cellulari di raggiungere nodi più distanti e collegarsi a nodi sensori sottoterra. EC-GSM può gestire segnali che sono più deboli di 20 dB rispetto a quelli GPRS standard e supporta velocità di trasferimento dati fino a 10 kb/s.

L’arrivo di LTE (Long Term Evolution) ha permesso di ampliare il numero di opzioni disponibili per la connettività di dispositivi IoT, grazie all’uso più efficiente dello spettro RF da parte del protocollo 4G. Il primo a essere introdotto è stato il protocollo Cat-M, in grado di supportare velocità di trasferimento dati di 1 Mb/s sia in uplink sia in downlink utilizzando una comunicazione half-duplex. L’utilizzo di Cat-M risulta anche vantaggioso in termini di consumi. Rispetto al protocollo LTE utilizzato dai telefoni mobili, Cat-M può operare con un numero di aggiornamenti più ridotto provenienti dalla stazione base. La frequenza degli aggiornamenti può essere ridotta fino al punto in cui il nodo sensore può svegliarsi ogni dieci minuti circa, con riflessi estremamente positivi sulla durata delle batterie in applicazioni dove è previsto di monitoraggio di condizioni che variano lentamente, come per esempio nel caso del tasso di umidità del terreno.

Per chi pensa all’efficienza energetica

Narrowband-IoT (NB-IoT) assicura ulteriori miglioramenti in termini di efficienza energetica. Questo protocollo utilizza trasmissioni a banda più stretta rispetto a LTE: 1,4 MHz invece di 20 MHz. Ciò è abbinato a una riduzione della potenza in trasmissione e contribuisce quindi ad aumentare la durata della batteria. Nell’ambito di un continuo processo di miglioramento, la release 14 dello standard LTE definita da 3 GPP permette di incrementare ancora l’efficienza grazie al supporto di tecniche che consentono ai nodi di scollegarsi rapidamente dopo una trasmissione al fine di diminuire ulteriormente perdite di potenza. NB-IoT supporta velocità di trasferimento dati di 50 kb/s in downlink e di 20 kb/s in uplink, che aumenta a 50 kb/ se in questa fase si utilizzano segnalazioni a più toni.

Grazie all’ampia scelta di protocolli disponibili per le applicazioni IoT, operanti sia su brevi sia su lunghe distanze, sviluppatori e integratori possono individuare quello che meglio risponde alle loro esigenze. In qualità di fornitore indipendente di moduli, Murata può consigliare quello più adatto per ogni applicazione e fornire soluzioni realizzate sfruttando i migliori dispositivi a semiconduttore presenti sul mercato.

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