LTE: la tecnologia chiave dei nuovi sistemi automotive

Pubblicato il 25 gennaio 2016

La rapida diffusione dello standardLTE tra gli operatori di telefonia cellulare non ha  comportato solo l’aumento della larghezza di banda disponibile per la comunicazione dati. Rivelatosi come lo standard caratterizzato dal più elevato tasso di crescita nella storia delle telecomunicazioni, LTE ha già iniziato a generare nuove entrare (dell’ordine di centinaia di miliardi) grazie da un lato a una migliore fruizione da parte degli utenti e all’erogazione di applicazioni e servizi ricchi di contenuti multimediali e dall’altro a una maggiore efficienza in termini di gestione della rete che permettono di incrementare gli utili.

Fig. 1 – GM era in vantaggio rispetto alla concorrenza quando annunciò, nel 2011, servizi di streaming video nell’abitacolo attraverso LTE, espandendoli poi nel 2014. Per i prossimi tre anni sono previsti 350 milioni di dollari di maggiori profitti. Fonte immagine: Motor Authority

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Questa è solo la punta dell’iceberg

I consumatori richiedono la possibilità di essere connessi in maniera continuativa e ad alta velocità dovunque si trovino (in auto come all’interno delle pareti domestiche), mentre i gestori di flotte aziendali e gli operatori del trasporto pubblico hanno intravisto le potenzialità (in termini sia di maggiori entrate sia di risparmi) delle trasmissioni a elevata velocità abbinate ale comunicazioni M2M e alla possibilità di eseguite un tracciamento accurato degli “asset”.

LTE sta indubbiamente riscrivendo attività e modelli di business per aziende e industrie a tutti i livelli, non solo per i fornitori di servizi di rete. Il passo successivo è concentrarsi sul time-to-revenue, dove diventa importante capire non solo il significato di LTE e la sua evoluzione, ma anche quali sono le opzioni disponibili per poter garantire una rapida messa in esercizio sfruttando soluzioni affidabili, accettate su scala globale, robuste e facili da implementare. Soluzioni di questo tipo possono aiutare i progettisti di dispositivi e sistemi a focalizzare la loro attenzione sulle applicazioni, sia attuali sia future, senza dover continuamente “reinventare la ruota” per quel che concerne la connettività”.

Una crescita continua e costante

La crescita esponenziale dei ricavi ottenuti con i servizi LTE dalle 380 reti commerciali operative è nel complesso ben delineata, a parte qualche inevitabile scostamento. Dati recenti divulgati da SNS Research stimano che i ricavi dei servizi LTE siano ammontati a circa 170 miliardi di dollari nel 2015, con un tasso di crescita su base annua del 30% fino al 2020.

Stati Uniti (in primo luogo AT&T e Verizon), Corea del Sud e Giappone sono stati i primi Paesi ad aver adottato la  tecnologia LTE. Tuttavia, secondo RnR (ReportsnReports), i mercati in via di sviluppo e quelli attualmente sottosviluppati sia in Asia sia in Africa sono quelli caratterizzati dalle maggiori potenzialità, in termini di business. per l’LTE. Questo è il classico esempio in cui è possibile by-passare una fase:, passando direttamente alle tecnologie più avanzate in aree dove si stanno sviluppando progetti interamente nuovi” e dove le infrastrutture sono limitate o del tutto assenti. Seguendo un approccio di questo tipo le regioni in via di sviluppo ad ottenere rapidamente i maggiori benefici. Sollecitati da queste prospettive, gli operatori di telefonia mobile continuano a investire in modo aggressivo in infrastrutture LTE e, d’altra parte, non possono permettersi di non investire, visti i guadagni in gioco con i sevizi connessi. Se si includono le stazioni base per macrocelle (eNBs), le piccole celle e le apparecchiature per le reti EPC/ mobili, SNS calcola che la spesa per infrastrutture LTE raggiungerà circa 33 miliardi di dollari alla fine del 2020, mentre ReportsnReports prevede che entro il 2018, la spesa totale in conto capitale per l’LTE raggiungerà 180 miliardi di dollari.

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Fig. 2 – Usando un approccio di sviluppo della scheda di tipo “nested” i progettisti possono aggiornare, nel tempo, le opzioni di connettività LTE, senza dover riprogettare da zero. Si tratta di un’interessante alternativa alla classica compatibilità “pin-to-pin” che può presentare criticità quando sono richieste ottimizzazioni nelle schede elettroniche e nelle dimensioni delle applicazioni

LTE: la tecnologia che fa la differenza

Per spiegare perché gli operatori sono così propensi a spendere miliardi in infrastrutture LTE di ultima generazione che, nel tempo, saranno incompatibili le apparecchiature 2G e 3G, occorre capire cos’è l’LTE e cosa può offrire in termini sia di servizi agli utenti sia di risparmi nel lungo periodo in termini di “costo totale di possesso” (TCO: total cost of ownership) per operatori e per i gestori.

LTE significa evoluzione di lungo termine (Long Term Evolution) come definito dal progetto di partnership di terza generazione (Third Generation Partnership Project). L‘”evoluzione” è finalizzata verso un’interfaccia 4G, dove lo standard 4G è stato definito da ITU-R nel 2008 e  ratificato all’interno della specifica IMT-Advanced.

Lo standard IMT-Advanced 4G pone l’accento sulle applicazioni ricche di contenuto multimediale e richiede il passaggio a reti a commutazione di pacchetto  che utilizzano il protocollo Internet (IP) più efficienti ed economiche per voce e dati. Le reti attuali usano una configurazione parallela, in cui le reti a commutazione di circuito sono usate per la voce e quelle a commutazione di pacchetto per i dati. IMT-Advanced richiede inoltre un miglior utilizzo delle apparecchiature, prevedendo una combinazione tra piccole celle e macrocelle, a seconda della densità di utenti, oltre a una serie di altre misure per migliorare l’efficienza.

Per gli utenti, IMT-Advanced stabilisce le modalità per un utilizzo più efficiente dell spettro usando vari schemi di modulazione, di impostazioni di larghezza di banda, frequenze operative, e requisiti di latenza e formati dei carrier.. L’uso più efficace dello spettro si traduce in velocità di download molto maggiori: pari  ad almeno 100 Mbit/s su dispositivo mobile quando l’utente  è, ad esempio, in un’auto o su un mezzo pubblico di trasporto, e di 1 Gbit/s nel caso di download stazionaria o nomadico di quando l’utente è a casa o  si muove in uno spazio pubblico.

Quando ITU-R fece le sue raccomandazioni nel 2008, queste prestazioni erano futuribili. i. Pertanto fu stabilito che tecnologie come l’LTE potevano essere chiamate 4G – se fornivano velocità di download molto migliori rispetto alle reti 3G, come W-CDMA, UMTS, EV-DO Rev. A, HSPA 3.6 e HSPA 7.2.

Queste reti 3G erano caratterizzate da velocità teoriche di download e upload con picchi rispettivamente di 14 Mbit/s e 5,7 Mbit/s. La tecnologia 4G LTE di categoria 4 (cat. 4) è ora molto più veloce, raggiungendo regolarmente velocità fino a 150 Mbit/s, e continua ad evolversi rapidamente verso reti a completa commutazione di pacchetto sfruttando anche la tecnica di trasmissione VoLTE (Voice over LTE).

’LTE continua quindi a evolversi giorno dopo giorno, implementando nuove tecniche come “l’aggregazione dei carrier” e altre innovazioni che permetteranno di raggiungere download di 1 Gbit/s. Solo a quel punto LTE potrà definirsi come “vera generazione 4G” in accordo con la definizione di IMT-Advanced. A quel punto diventa LTE-Advanced.

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Fig. 3 – La soluzione Networkfleet di Verizon è un esempio di servizio a valore aggiunto che utilizza una combinazione di GPS e connessione cellulare sicura al sistema di back-end, per consentire la gestione delle flotte di veicoli aziendali: in questo caso gli utenti hanno un accesso sicuro a un cruscotto con interfaccia personalizzata

OnStar è stato introdotto per la prima volta nel 1996 come sistema telematico integrato che comprendeva numerose funzioni tra cui diagnostica e rilevamento della posizione in caso di emergenza. GM ha lanciato il 4G LTE in oltre 30 dei suoi veicoli sui modelli commercializzati nel 2015 in Nord America E la strategia futura prevede il supporto di LTE anche per i veicoli commercializzati in mercati esteri.

L’esempio di innovazione di GM in questo ambito è una chiara conseguenza di quanto viene richiesto a livello di utente. La crescente ricerca di servizi video over-the-top (OTT) su dispositivi mobili, dagli smartphone ai tablet e ai notebook, impone di garantire lo stesso livello qualitativo dei servizi sia a casa sia in viaggio.

La società di analisi di mercato IDC ha pubblicato alcune cifre su questo trend: in un sondaggio sugli smartphone, il 50% dei possessori di smartphone effettuavano lo streaming di contenuti video mentre, negli Stati Uniti, il 27% degli intervistati ha dichiarato di acquistare film sui propri smartphone ” una percentuale di poco superiore a quella media degli intervistati in tutto il mondo, pari al 23%.”

A questa tendenza reale corrisponde il fatto che non è semplice equipaggiare ogni veicolo con la tecnologia LTE ad alta velocità non è facile: non ultima la difficoltà di soddisfare le normative wireless in vigore a livello internazionale.

L’eterno dilemma: “make or buy”

La tecnologia di comunicazione wireless è notoriamente complessa. Problematiche relative a interferenze, emissioni, posizionamento dell’antenna e conformità alle normative hanno “frenato” molti progetti. Nel caso dei progetti automotive, tutti i componenti devono soddisfare a normative specifiche e particolarmente stringenti.

Per questo motivo i progettisti si trovano di pronte al classico dilemma del “make or buy”, con una crescente preferenza verso la seconda opzione, ovvero acquistare un prodotto standard. Progettare partendo sempre da zero non sempre garantisce un ritorno dell’investimento, in particolare nel caso in cui siano già disponibili moduli pronti all’uso.

L’adozione di questi moduli semplifica notevolmente le fasi di progettazione, lancio del prodotto e  ottenimento delle certificazioni richieste dalle norme di settore. Alcuni moduli sono dotati di interfaccia PCIe, come MPCI-L2 LTE, che supporta LTE multibanda oltre alle tecnologie HSPA+ e GPRS/EDGE.

Il modulo LTE di categoria 4, supporta velocità di trasmissione dati fino a 150 Mbit/s ed è disponibile in modelli per le regioni America ed Europa/Asia in modo da semplificare le certificazioni. Un’altra caratteristica chiave da tenere inconsiderazione è l‘intervallo di temperatura supportato, da -40 a +85 °C, che lo rende adatto in applicazioni automotive, di monitoraggio remoto e aggregazione dei dati. L’MPCI-L2 è un buon esempio con un intervallo supportato da -40 a +85 °C.

Le soluzioni con interfaccia PCIe sono particolarmente adatte in sistemi in cui sia necessario un accesso plug-and-play nel caso siano richiesti aggiornamenti relativamente frequenti o in cui si debba interfacciare direttamente un sistema informatico. Tuttavia, per applicazioni in cui si punta ad ottimizzare dimensioni e costi, ed in cui sono previsti volumi più elevati, un modulo LGA (Land Grid Array) può essere un’opzione migliore per il progettista.

La serie di prodotti TOBY-L2 rappresenta un’interessante innovazione del concetto di modulo cellulare. Compatibile anche con LTE/HSPA+/GPRS, questo modulo è fornito in un package LGA che consente di semplificare la produzione e supporta un innovativo approccio alla progettazione definito come “layout annidato” (nested). Questo tecnica di progettazione consente di configurare la scheda PCB in modo da consentire l’uso di moduli con differenti fattori di forma che supportano diversi standard di tecnologia cellulare, in modo da potersi adeguare a possibili evoluzioni o cambiamenti nei requisiti di sistema.

Tipicamente i progettisti richiedono una compatibilità pin-to-pin, ma questo tende a vincolare il fattore di forma e, di conseguenza, le possibili opzioni disponibili in una fase successiva di progettazione, quando si rendono necessari aggiornamenti.

Solitamente, ci sono buone possibilità che vengano richiesti aggiornamenti. Al momento attuale, il download a 150 Mbit/s soddisfa le esigenze di di un router usato all’interno di un veicolo. I router LTE montati nel veicolo consentiranno un downlink a velocità fino a 100 Mbit/s (LTE categoria 3) verso l’auto. Questa velocità è sufficiente a supportare, in parallelo, 5 canali televisivi ad alta definizione, ed è più che sufficiente a supportare il tipico mix di video, voce, ed accesso Internet e applicazioni social  utilizzato dai passeggeri.

L’uso congiunto di moduli cellulari e sistemi di navigazione del veicolo consente la trasmissione di contenuti in funzione della posizione del veicolo stesso per esempio informazioni arricchite da video sui servizi e sui punti d’interesse nelle vicinanze.

Questo è quindi uno scenario che stimola certamente i gestori delle reti, a cui spetta l’onere degli investimenti necessari ad espandere le loro capacità, a fronte di un  possibile maggiore gettito di ricavi derivanti dai servizi di streaming, di cui beneficeranno i fornitori delle OTT, non i gestori. Questo è dunque anche uno scenario che incentiva gli operatori di telefonia a riconsiderare il loro modello di business.

Un ambito applicativo che sta attirando emergente l’attenzione di fornitori e aziende indipendenti è la gestione delle flotte aziendali di automobili, di camion e veicoli di emergenza.

In Nord America, Verizon è uno dei tanti operatori che stanno cogliendo questa opportunità. La soluzione di Verizon per le flotte in rete utilizza il GPS per un rilevamento preciso dalla posizione, e trasmette i dati del veicolo attraverso una rete wireless sicura al Centro Dati della flotta in rete. Le unità installate nella flotta in rete controllano la posizione del veicolo, effettuano la la diagnostica del motore e rilavano altri parametri di valutazione delle prestazioni della flotta – 24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana.

Gli operatori della flotta hanno accesso al sito NetworkFleet sicuro che monitora la flotta e consente di ricevere gli allarmi dai veicoli, rilevare la loro posizione e monitorare il comportamento del conducente. Usando PC, smartphone e tablet, i responsabili controllano i dati di monitoraggio della flotta e possono prendere decisioni in tempo reale, riducendo i costi e migliorando le prestazioni della stessa flotta.

Il modello Networkfleet converte con quello di Internet of Things ((IoT) in cui i diversi tipologie di dati vengono raccolti e analizzati continuamente, per ottenere migliori risultati di business. Un esempio è la manutenzione preventiva che effettua un’analisi storica e in tempo reale dei dati per prevenire i guasti. Tra i dispositivi che consentono questo tipo di analisi si può segnalare ODIN-W2, un modulo multi-radio autonomo, compatto e ad alte prestazioni progettato per applicazioni IoT.. Il modulo è corredato da driver, stack e applicazioni per trasferimento dei dati in modalità wireless e la configurazione dei comandi AT. Questo modulo wireless “dual-mode” supporta Bluetooth v4.0 (bluetooth classico e bluetooth a bassa energia), e Wi-Fi a doppia banda (2.4 GHz e banda a 5 GHz) e può essere usato in sostituzione di un cavo seriale point-to-point.

ODIN-W2 supporta connessioni multiple simultanee Bluetooth e Wi-Fi che possono funzionare in modalità Wireless Multidrop o Extended Data per garantire funzionalità multipunto avanzate. Il modulo EMMY-W1 aggiunge il supporto di NFC, mentre il modulo ELLA-W1 è una soluzione Bluetooth end-to-end e Wi-Fi con MAC/banda base e un’interfaccia SDIO all’host.

È opportuno notare che l’IoT ha applicazioni utili anche per i conducenti: il monitoraggio e l’analisi dei modelli di guida che indicano sonnolenza o disattenzione possono anche prevenire incidenti.

Auto senza conducente con LTE e GPS

L’applicazione delle tecniche di gestione di flotta è solo il punto di partenza. Le auto senza conducente sono “alle porte” grazie anche alla crescente disponibilità di moduli e sistemi che incorporano sia il GPS sia l’LTE. Ad esempio, il modulo NEO-M8L di tipo stand alone combina un engine per il posizionamento simultaneo ad alte prestazioni con la tecnologia 3D per la determinazione del punto stimato (ADR: Automotive Dead Reckoning) che fornisce una copertura completa e un posizionamento continuo in 3D in applicazioni che coinvolgono  veicoli stradali.

Il dispositivo ha un elevata sensibilità, è caratterizzato da una rapida acquisizione e localizzazione del segnale GNSS e si integra facilmente in un sistema. L’accelerometro 3D presente nel modulo, i sensori giroscopici 3D e l’ingresso che fornisce l’impulso di velocità (via hardware o messaggio sul bus) forniscono una soluzione completa per applicazioni ADR per veicoli stradali, che garantisce un posizionamento preciso e continuo.

I dispositivi come  NEO-M8L consentono di cambiare completamente il modello di gestione per il trasporto di beni e di persone. Mentre per il momento LTE e GPS assicurano un notevole miglioramento nella fruizione di numerose applicazioni  in ambito automobilistico, ben presto permetteranno la sostituzione dei conducenti stessi laddove l’interazione umana è ridotta o addirittura inesistente.

In futuro, altri modelli di business comprenderanno il monitoraggio video a distanza tramite l’LTE, per mezzo di stazioni di monitoraggio localizzate in qualsiasi parte del mondo. Gli operatori saranno in grado di addebitare servizi di sicurezza remota basati sull’installazione di apparecchiature, leasing e messa in esercizio, software di gestione, ore di utilizzo giornaliere, e memorizzazione su cloud dei dati video.

La segnaletica digitale e’ un altro ambito, in cui l’LTE può consentire rapidi aggiornamenti di immagine, mentre il cloud storage e le applicazioni remote potranno beneficiare di accesso e download più rapidi. Saranno dunque sempre più numerosi i punti di accesso per un numero crescente di operatori che  trarranno vantaggio dalla sempre più rapida diffusione della tecnologia LTE.

Stefano Moioli, direttore Product Management Cellulari, u-blox