Internet of Things (IoT) entra nel mirino di LTE

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Nonostante siano in molti a pensare che la connettività in modalità LTE sia appannaggio esclusivo degli smartphone, questa tecnologia in realtà è molto più versatile. Oltra al trasferimento dati ad alta velocità da/verso gli smartphone, LTE ha subito parecchie evoluzioni che prevedono tra l’altro l’introduzione di versioni caratterizzate da velocità di trasferimento dati inferiori adatte per l’impiego in una vasta gamma di applicazioni IoT (Internet of Things). Tra le versioni più diffuse si possono annoverare LTE Cat 1, LTE-M e NB-IOT, ampiamente adottate dai costruttori di hardware e dai fornitori di reti cellulari per l’utilizzo in ambito IoT.

Tecnologie cellulari: una valida soluzione per IoT
A questo punto sorge quasi spontaneo chiedersi quali sono i motivi che spingono a utilizzare il cellulare per l’implementazione di IoT. A differenza delle tecnologie wireless standard, come ad esempio Bluetooth o Wi-Fi, impiegate in un gran numero di applicazioni IoT, quelle cellulari possono essere definite comunicazioni realmente di tipo “plug & play”. Poichè non sono richiesti gateway o router, i progettisti possono focalizzare l’attenzione sulla realizzazione delle loro applicazioni senza dover diventare esperti in in infrastrutture wireless. Questa caratteristica, unitamente alla copertura su lunghe distanze, rende la tecnologia cellulare adatta per molte applicazioni (o casi d’uso) “proibite” alle tecnologie wireless tradizionali.

Le tecnologie di comunicazione cellulari sono ideali per le reti LPWAN (Low Power Wide Area Network). Si pensi, solo per fare alcuni esempi, a una fattoria dove sensori di umidità/temperatura sono sparsi in un’area di 50 acri, ai contatori dell’acqua distribuiti in una città oppure alle telecamere del traffico preposte al monitoraggio di una rete autostradale.

Oltre ai casi d’uso di tipo stazionario delle reti LPWAN, le tecnologie cellulari consentono di aggiungere un’ulteriore dimensione. Esse sono infatti ottimizzate per l’uso in tutte le applicazioni in cui il dispositivo è in movimento. Il tracciamento di flotte o di container, oppure le comunicazioni basate su veicoli sono solamente alcuni degli esempi dove molto semplicemente non esistono alternative ai collegamenti in rete di tipo cellulare.

Per tutte le ragioni appena esposte, oltre al fatto che la tecnologia cellulare è di tipo “plug &play”, appare chiaro il motivo per cui i moduli radio 3G (e persino 2G) sono utilizzati su larga scala nelle comunicazioni M2M (Machine-to-Machine). In ogni caso i fornitori di servizi di rete hanno già iniziato ad abbandonare la rete 2G e annunciato piani per dismettere le reti 3G nei Paesi sviluppati nell’arco dei prossimi anni. Fortunatamente, i nuovi standard integrati in LTE assicurano velocità simili (se non più elevate), notevoli miglioramenti in termini di semplicità dell’hardware oltre alla garanzia di longevità delle comunicazioni basate su questo standard.

LTE per IoT: i principali vantaggi
Vista la molteplicità di ragioni che consigliano l’utilizzo della connettività tramite cellulare, appare ovvio il motivo per cui i cellulari di ultima generazione siano stati progettati per soddisfare i casi d’uso dell’universo IoT. Rispetto alla tecnologia LTE utilizzata negli smartphone, quella adottata per le applicazioni IoT (LTE per IoT) si focalizzerà da un lato sul contenimento dei costi associati appunto all’aggiunta della connettività tramite cellulare a un dispositivo (mantenendo quindi il prezzo dei moduli entro limiti accettabili) e dall’altro sulla riduzione dei consumi al fine di aumentare la durata delle batterie. E’ possibile conseguire tali obiettivi semplificando il protocollo, per minimizzare i requisiti di natura tecnica, e riducendo la velocità. Poichè la velocità è inferiore, i prezzi di abbonamento per dispositivo di LTE per IoT saranno più bassi.

Vista la grande varietà dei casi d’uso di IoT, LTE per IoT è suddivisa in parecchie categorie. Anche se ciascuna di queste categorie è stata concepita per differenti segmenti applicativi, esse condividono alcune caratteristiche comuni quali protocollo semplificato, ampiezza di banda ottimizzata per le specifiche applicazioni e consumi ridotti.

LTE Cat 1 – Si tratta sicuramente del più diffuso protocollo LTE per IoT, che può vantare installazioni attive nell’America del Nord, in Australia e in alcuni Paesi d’Europa. Caratterizzato da velocità pari a 10 Mbps (in downlink) e 5 Mbps (in uplink), questo protocollo punta a sostituire le connessioni 2G e 3G legacy. Protocollo particolarmente adatto per applicazioni quali telematica, tracciamento di asset, sicurezza e dispositivi indossabili, LTE Cat 1 dispone di un’ampiezza di banda sufficiente per supportare un singolo flusso video o voce mentre la sua ridotta latenza, compresa tra 10-15 ms ne consente l’uso in applicazioni time-sensitive (ovvero che richiedono un’elevata precisione nelle temporizzazioni).

LTE-M – In precedenza identificato come LTE Cat M1, LTE-M (ovvero LTE for Machines) è una tra le categorie più recenti, anche se in rapidissima crescita, di LTE progettata per applicazioni che richiedono velocità e consumi ancora più ridotti. L’obiettivo di LTE-M non è quello di sostituire una tecnologia legacy, ma è una categoria di LTE espressamente ideata per soddisfare i requisiti delle applicazioni IoT. Contraddistinto da un throughput max. di 1Mbps (in modalità full duplex) e 375 kbps in uplink/downlink (in modalità half duplex), LTE-M non è stato pensato per sostituire i collegamenti 3G, bensì per garantire una connessione cellulare affidabile a un crescente numero di applicazioni che richiedono basse velocità di trasferimento dati. Non bisogna comunque dimenticare il fatto che poichè LTE-M di solito utilizza la banda di frequenza a 800 MHz possono nascere problemi di interferenza. Il suo utilizzo potrebbe dunque risultare problematico in ambienti industriali dove sono presenti macchinari e apparecchiature operanti ad alta tensione. D’altro canto, l’utilizzo della banda a 2,4 GHz per LTE-M, solitamente usato per connessioni brevi e poco frequenti, potrebbe rivelarsi un’opzione costosa.

A favore di LTE-M si può dire che la sua adozione permette di ridurre sia i costi iniziali sia i costi operativi dei dispositivi IoT, poichè gli investimenti sull’hardware e i consumi sono decisamente inferiori. I moduli LTE-M possono essere di tipo sia full-duplex sia half-duplex e in grado di operare in una banda più stretta rispetto a quella delle categorie LTE superiori. Questa tecnologia prevede anche modalità di “sleep” che permettono di ridurre i consumi e ben si adattano alle caratteristiche intrinseche delle comunicazioni dei dispositivi IoT. L’utilizzo di LTE-M garantisce una durata delle batterie compresa tra 5 e 10 anni.

Grazie ai consumi estremamente ridotti e ai costi dell’hardware decisamente inferiori, LTE-M risulta più adatto di LTE Cat-1 nelle applicazioni che prevedono installazioni su larga scala, così come in quelle dove la durata della batteria è un elemento critico. Tra i possibili casi d’uso si possono annoverare comunicazioni con sensori, tracciamento di asset, monitoraggio della forma fisica, dispositivi indossabili, sistemi di sicurezza e molti altri ancora. Sebbene si tratti di uno standard relativamente recente, LTE-M è caratterizzato da tassi di crescita elevati, in special modo negli Stati Uniti, dove Verizon e AT&T hanno già annunciato piani di installazione su scala nazionale. Altre aziende in Europa, Asia e Australia stanno già supportando LTE-M e per la fine dell’anno è prevista l’attivazione di un gran numero di reti.

A questo punto val la pena sottolineare che, oltre alle problematiche legate alle interferenze e ai costi di esercizio già segnalati, vi sono altri aspetti da tenere in considerazione. La copertura LTE può rappresentare un altro problema, sia nelle zone rurali sia in quelle urbane. Nelle aree metropolitane, nonostante l’elevato numero di stazioni base installate, in molti casi le reti sono già molto congestionate. Il problema tenderà ad aggravarsi ulteriormente nel momento in cui a un’infrastruttura di rete già congestionata verrà aggiunta una moltitudine di nodi sensore o di altri dispositivi IoT. Nel caso delle applicazioni nel settore dell’agricoltura, invece, gli operatori mobili dovranno fare notevoli investimenti in nuove infrastrutture di supporto. Poichè gli operatori stanno già pensando all’implementazione dell’infrastruttura 5G nei prossimi anni, l’installazione di ulteriori reti LTE potrebbe rivelarsi una mossa azzardata.

NB-IoT – Categoria di LTE caratterizzata da consumi e velocità ancora più basse, NarrowBand IoT è stata concepita per l’installazione su larga scala di dispositivi IoT. In grado di assicurare una velocità massima di 250 kbps (sia in uplink sia in downlink) e una latenza uguale o superiore a 1,6 s, NB-IoT non è stata progettata per una trasmissione dati su base continua, bensì per comunicazioni intermittenti con i sensori. Il bassissimo consumo di potenza consente una durata della batteria superiore ai 10 anni, mentre la radio, estremamente semplice, ha un costo minore rispetto a quello di una radio LTE-M.

In qualità di protocollo a banda stretta, NB-IoT è contraddistinto da una distanza di trasmissione e un grado di penetrazione decisamente elevati. All’aperto il range è dell’ordine dei chilometri mentre al chiuso è in grado di penetrare muri, pavimenti e soffitti: grazie a queste caratteristiche risulta dunque particolarmente adatto in tutte le installazioni che prevedono l’uso di sensori. A differenza delle altre categorie LTE, NB-IoT ha un certo numero di limitazioni. A causa dell’elevata latenza la trasmissioni dati non avviene in tempo reale come accade con altre tecnologie alternative. A differenza delle categorie dello standard LTE descritte in precedenza, NB-IoT non supporta l’handover (ovvero il trasferimento della comunicazione da una cella all’altra) e quindi non è adatto per le applicazioni mobili. Nonostante questi limiti, le caratteristiche intrinseche di NB-IoT – consumi minimi, basso costo dell’hardware e elevata penetrazione in ambienti chiusi – lo rendono adatto per l’uso in numerose tipologie di installazione di sensori per IoT. L’implementazione di NB-IoT è ancora nella fase iniziale e le reti attive sono in numero ridotto rispetto a quello delle reti LTE Cat 1 e LTE-M, ma per il 2018 è già stata prevista l’installazione di parecchie reti in Europa, Australia e Asia.

+++Fine

Mark Patrick, Mouser Electronics

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