Reti cellulari globali per IoT

Che cosa sarebbe successo se i numeri legati all'Internet delle Cose non fossero stati così inverosimili? Che cosa sarebbe successo se l'espansione del mercato delle "cose" collegabili fosse stata semplicemente una questione di erosione dei costi di collegamento? Che cosa sarebbe successo se avessimo avuto a disposizione tecnologia e modelli di business? Che cosa sarebbe successo se gli operatori di telecomunicazioni avessero già offerto nuovi servizi cellulari a livello mondiale nelle bande Ism senza licenza?

Reti mobili cellulari migliori e più veloci
Venti anni fa, i principali operatori di telecomunicazioni in tutto il mondo hanno effettuato dei massicci investimenti per connettere in modo omogeneo le persone tra di loro: proprio in quegli anni nascevano i primi gestori di reti mobili. Nel frattempo, Internet si stava sviluppando per raggiungere ogni singolo quartiere e abitazione: l'ottimismo e l'entusiasmo verso questa "nuova economia" stavano alimentando la crescita della prima rivoluzione delle telecomunicazioni, che avrebbe portato alla cosiddetta "bolla dotcom". Vent’anni e due crisi economiche dopo, tutti sono d'accordo nel ritenere che questa evoluzione sia stata comunque un vero successo: la metà della popolazione mondiale possiede oggi un telefono cellulare o uno smartphone, dispone di un accesso fisso o mobile a Internet, ed è abituata a investire mensilmente in un abbonamento voce e dati per servizi che soddisfano ormai dei bisogni vitali. Affinché gli operatori di reti mobili e gli operatori di reti mobili virtuali siano in grado di mantenere i loro livelli di ricavi medio per utente, il servizio finale erogato non può che continuare a migliorare, compensando così la naturale erosione dei prezzi. Questo è il motivo per cui negli ultimi due decenni, le reti 2G, 2.5G, 2.75G, 3G e 4G hanno preso il sopravvento l'una sull'altra, garantendo vantaggi sempre più importanti in termini di larghezza di banda, mobilità, densità di copertura e qualità del servizio.

La ricerca dei profitti nelle tecnologie Machine-to-Machine
Nei paesi sviluppati, le schede SIM attive sono più numerose degli abitanti e il mercato ha ormai raggiunto la saturazione. Per questo motivo, negli ultimi dieci anni, Mno e Mvno hanno cercato di sviluppare a tutti i costi il mercato legato alle comunicazioni Machine-to-Machine. Dato il costo di collegamento, il costo del modem, l'inadeguatezza della tecnologia per garantire sistemi alimentati da batterie economiche e a lunga durata, il mercato M2M basato sull'eredità delle reti cellulari tradizionali è oggi limitato ai pochi settori applicativi verticali (automotive, monitoraggio, distributori automatici, point-of-sales, sicurezza, eccetera) capaci di sostenere questi vincoli. Ciò significa che la stragrande maggioranza degli oggetti o delle "cose" con cui viviamo e lavoriamo quotidianamente non sono ancora connesse tra loro. Il loro collegamento - indirettamente attraverso un gateway (sia esso un telefono intelligente o una box Internet) o direttamente su una rete cellulare dedicata - è la sfida legata all'IoT.

5G, un ampio spettro di requisiti
Guardando il modo in cui la 5G Public-Private Partnership e Metis (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society) stanno delineando le esigenze che guideranno l'evoluzione delle nostre reti cellulari da qui al 2020, è evidente come le diverse tecnologie siano destinate a coesistere. L'obiettivo è rispondere al meglio alle esigenze di:
• comunicazioni "amazingly fast”, cioè incredibilmente veloci, che richiederanno più larghezza di banda e più velocità in termini di bit;
• "Great service in a crowd” con servizi ottimizzati in luoghi affollati, supportati da sistemi di trasmissione in broadcast;
• “Best experience follows you”, ovvero esperienze d'uso ottimizzate capaci di seguirci ovunque ma che richiedono elaborazioni del segnale e architetture di rete estremamente sofisticate;
• "Ubiquitous things communicating”, cioè oggetti onnipresenti e comunicanti, i quali implicano "cose" basate su tecnologie semplici, a basso consumo e a basso costo connesse attraverso un'infrastruttura di rete agile e facile da implementare.

L'esigenza di un'altra tecnologia
Tra le applicazioni verticali non facilmente servite dalle reti di generazione precedente si segnalano quelle legate alle attività di tariffazione (acqua e gas), di logistica industriale (pallet), di gestione flotte diffuse (biciclette, rimorchi), di sicurezza (rilevatori di fumo e di perdite, anti-manomissione), ambientali (contenitori di rifiuti, stazioni meteo), di agricoltura (irrigazione, sensori), di sanità (dispenser farmaci, allarmi sociali), e a molti altri contesti in cui la durata della batteria e il costo della connessione rappresentano un deterrente. In tutte queste applicazioni, non sempre è disponibile uno smart router WiFi o Bluetooth per supportare la connessione a Internet di ogni singolo dispositivo. Di contro, una connessione 2G/3G comprometterebbe la redditività a causa dei maggiori costi di collegamento e agli oneri legati alla gestione della batteria. Tutte queste applicazioni hanno però alcuni punti in comune:
• richiedono di segnalare dati di pochi byte all'ora o al giorno;
• tollerano una latenza di rete nell'ordine di grandezza dei secondi;
• gli oggetti coperti dalla rete non devono essere sempre né collegati né sincronizzati alla rete stessa in quanto rimangono per la maggior parte del tempo silenti;
• non devono dialogare tra di loro in modalità peer-to-peer;
• per lo più devono solo trasmettere dei dati in rete;
• possono tollerare pacchetti mancanti qua e là.

Considerando tutte queste proprietà, l'infrastruttura di rete richiesta è molto leggera. Prendendo spunto dai primi due punti, il livello fisico può operare a un bit-rate molto basso (pochi kilobit al secondo o meno), consentendo l'impiego di un link a budget più elevato e una maggiore portata della comunicazione tra l'oggetto e la base-station. Questo si traduce in celle più ampie, infrastrutture di distribuzione più leggere da installare, capex e opex più contenuti per l'operatore, minore costo di comunicazione per l'oggetto. Il secondo punto offre la possibilità di gestire dal cloud il Medium Access Control e - perché no in futuro - installazioni notevolmente differenti anche a livello fisico. Altri punti comportano per gli oggetti la possibilità di operare in modo asincrono tra loro, consentendo fondamentalmente alla rete di stazioni base di mettersi in ascolto di oggetti che trasmettono in modo casuale. Il penultimo punto consente l'installazione di una rete molto efficace. In tale contesto, le stazioni di base possono operare in modalità half-duplex, con canali di uplink e downlink uno vicino all'altro all'interno di una economica banda Ism senza licenza. Ultimo, ma non meno importante, l’ultimo punto, il quale permette di convalidare gli studi di fattibilità con un investimento ragionevole, sia lato rete sia lato applicazione.

Questa è vera tecnologia
Alcune tecnologie radio possono già supportare tali reti. Esempi sono le reti di tariffazione private in modulazione FSK/MSK con WmBus, la soluzione LoRa di Semtech - basata su Chirp Sequence Spread Spectrum, l'architettura Random-Phase-Multiple-Access di On-Ramp-Wireless, e i livelli Direct-Sequence-Spread-Spectrum alternativi in standardizzazione presso l'Ieee da parte di Silicon Labs e altri sviluppatori. In Europa, diverse società di servizi stanno implementando reti private per contatori di tariffazione basate su WmBus. Altri, come Actility (che si affida alla tecnologia LoRa) stanno installando reti private per sistemi smart grid e smart city. Tra tutte, solo una società ha preso l'iniziativa per raccogliere fondi destinati all'installazione e alla gestione di una rete IoT veramente globale e generica basata su una tecnologia Phase-Shift-Keying proprietaria a banda ultra stretta: Sigfox. Non c'è dubbio: anche altri operatori di telecomunicazione che fanno affidamento su tecnologie concorrenti implementeranno le loro soluzioni negli anni a venire. E non c'è alcun dubbio anche sul fatto che, non appena nel mondo le vendite si attesteranno su qualche centinaio di milioni di connessioni all'anno, gli operatori cellulari tradizionali prenderanno in considerazione l'assegnazione di poche centinaia di kHz del loro costoso spettro a una tecnologia simile, dando finalmente vita al 5G.

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