Connettività IoT, tecnologie LPWAN a confronto

La tecnologia LPWAN (Low Powered Wide Area Network) NON è uno standard. Si tratta di un termine ampio che comprende varie implementazioni e protocolli, sia proprietari che open source, che condividono caratteristiche comuni:

  • bassa potenza: funziona con batterie piccole, poco costose, e che durano anni;
  • ampio raggio: ha un’area operativa che in genere copre un raggio di oltre 2 km nelle impostazioni urbane.

Una limitazione fisica per ottenere una bassa potenza e un’ampia gamma è la dimensione dei dati di piccole dimensioni. La maggior parte delle tecnologie LPWAN può inviare solo meno di 1.000 byte di dati al giorno o meno di 5.000 bit al secondo.

I vantaggi della tecnologia LPWAN

Le caratteristiche sopra riportate rendono le LPWAN una scelta eccellente per le seguenti classi di applicazioni IoT:

  • luoghi densamente popolati: città o grandi edifici per illuminazione intelligente, smart grid e tracciamento delle risorse;
  • monitoraggio a lungo termine: sensori e contatori da installare e monitorare per un lungo periodo di tempo (ad esempio, misurazione dell’acqua, rilevatori di gas, agricoltura intelligente e serrature a distanza).

In poche parole, la tecnologia LPWAN funziona bene in situazioni in cui i dispositivi devono inviare piccoli dati su un’ampia area mantenendo la durata della batteria per molti anni. Ciò distingue LPWAN da altri protocolli di rete wireless come Bluetooth, RFID, cellulare M2M e ZigBee.

Tecnologie LPWAN

Vi sono molte tecnologie e standard LPWAN. In questo articolo, ci concentreremo su SigFox, LoRa, Symphony Link e Weightless, perché queste tecnologie sono in fase di sviluppo o implementazione. Sebbene esistano altri protocolli e stack proprietari come il Dash7 Alliance Protocol, non hanno ottenuto lo stesso successo, per cui non saranno trattati in questo articolo. LTE-M e Narrowband-IoT sono recentemente emersi come nuovi, grandi player.

Con il 5G all’orizzonte, il panorama di connettività IoT, in rapida e continua trasformazione, è pronto per un altro importante cambiamento. È fondamentale capire come la LPWAN si inserisce in questo scenario e come valutare i costi e i benefici delle diverse tecnologie LPWAN nello spazio, in modo da essere ben preparati per le future trasformazioni nelle opzioni di connettività.

Le sezioni seguenti forniranno una panoramica di ciascuna delle tecnologie LPWAN.

NB-IoT e LTE-M

LTE-M e Narrowband-IoT (NB-IoT) sono novità promettenti nell’ambito LPWAN. LTE-M è la risposta del progetto di terza generazione (comunemente denominata “3GPP”) al forte interesse per le soluzioni LPWAN che si adattano alla connettività LTE standard preservando le risorse. NB-IoT è un altro costrutto 3GPP che sfida l’interruzione di Sigfox e LoRa Alliance (sotto), tuttavia, NB-IoT è diverso da LTE-M in quanto opera al di fuori del costrutto LTE.

Un grande vantaggio di NB-IoT è dovuto alla sua forma d’onda più semplice: la tecnologia consuma una potenza veramente minima. Un altro grande vantaggio è il costo. Scegliendo chipset appositamente progettati per i protocolli NB-IoT, che hanno una costruzione più semplice, il costo complessivo dei componenti è ridotto. Infine, NB-IoT presenta potenziali vantaggi per le applicazioni smart city. LinkLabs prevede che NB-IoT potrebbe avere una migliore penetrazione degli edifici rispetto a LTE-M. Ma spesso si tratta del caso d’uso specifico; NB-IoT è probabilmente il più adatto alle risorse statiche come i contatori intelligenti mentre LTE-M ha maggiori benefici nelle applicazioni in mobilità, come veicoli o droni.

LTE-M ha notevoli vantaggi. Innanzitutto, ha una maggiore velocità di trasmissione dati, che è importante per i progetti ricchi di dati. E a differenza di NB-IoT, il front-end è relativamente semplice. Tuttavia, oltre al fatto che LTE è principalmente una tecnologia statunitense, ci sono altre limitazioni da considerare, come l’efficienza energetica alcuni problemi di licenza, legati a società come Qualcomm e InterDigitals.

In generale, a livello globale, dove gli spettri GSM sono la norma, possiamo aspettarci di vedere una preferenza per il protocollo NB-IoT (non LTE).

LoRa

La LoRa Alliance è un’associazione aperta, senza fini di lucro, creata per promuovere un ecosistema per alcune tecnologie LPWAN. Ha circa 400 aziende associate in tutto il Nord America, Europa, Africa e Asia, e i suoi membri fondatori includono IBM, MicroChip, Cisco, Semtech, Bouygues Telecom, Singtel, KPN, Swisscom, Fastnet e Belgacom.

LoRaWAN è lo strato di rete standard aperto governato dalla LoRa Alliance. Tuttavia, non è veramente aperto poiché il chip sottostante per implementare uno stack LoRaWAN completo è disponibile solo tramite Semtech. Fondamentalmente, LoRa è il livello fisico: il chip. LoRaWAN è il livello MAC: il software che viene inserito nel chip per abilitare il networking.

La funzionalità è simile a quella della rete SigFox, in quanto è utilizzata principalmente per l’invio di dati da sensori e dispositivi a un gateway. Invece di utilizzare la trasmissione a banda stretta, tuttavia, distribuisce le informazioni tra canali di frequenza e velocità di trasmissione diversi utilizzando pacchetti codificati. Questi messaggi hanno meno probabilità di entrare in collisione e interferire l’uno con l’altro aumentando così la capacità del gateway.

SigFox

Fondata nel 2009, SigFox è una società francese con sede a Labège, in Francia. SigFox ha avuto una significativa diffusione nell’ambito delle tecnologie LPWAN grazie alle sue campagne di marketing di successo in Europa. Vanta anche un vasto ecosistema di venditori tra cui Texas Instruments, Silicon Labs e Axom. Di recente, SigFox ha investito la maggior parte dei suoi sforzi nel mercato europeo in rapida accelerazione.

SigFox utilizza una tecnologia proprietaria, un esempio di utilizzo di una velocità di modulazione lenta per ottenere un intervallo più esteso. Grazie a questa scelta progettuale, SigFox è un’opzione eccellente per le applicazioni in cui il sistema deve solo effettuare solo invii di dati a spot, di dimensioni contenute.

Le possibili applicazioni includono: sensori di parcheggio, contatori d’acqua o bidoni della spazzatura intelligenti. Tuttavia, ha anche alcuni inconvenienti. L’invio di dati ai sensori/dispositivi (capacità di downlink) è decisamente limitato e l’interferenza del segnale può diventare un problema.

Symphony Link

Link Labs è membro di LoRa Alliance e utilizza quindi il chip LoRa sopra menzionato. Tuttavia, invece di usare LoRaWAN, Link Labs ha creato un livello MAC proprietario (software) in aggiunta ai chip di Semtech chiamati Symphony Link.

Link Labs è stata fondata nel 2013 da ex membri del Laboratorio di Fisica Applicata della Johns Hopkins University e ha sede ad Annapolis, nel Maryland, USA.

Symphony Link aggiunge alcune caratteristiche vitali di connettività rispetto a LoRaWAN, tra cui la ricezione garantita dei messaggi, l’aggiornamento del firmware via etere, la rimozione del limite del ciclo di lavoro, la capacità del ripetitore e la gamma dinamica.

Weightless

Il Weightless SIG (special interest group) è stato fondato nel 2008 con la missione di standardizzare le tecnologie LPWAN. Il gruppo promorore ha tra i suoi membri Accenture, ARM, M2COMM, Sony-Europe e Telensa.

L’assenza di gravità è l’unico standard aperto che opera nello spettro senza licenza sub-1 GHz. Esistono tre versioni di Weightless che hanno scopi diversi.

  • Weightless-W: sfrutta gli spazi bianchi (spettro locale non utilizzato nella banda TV con licenza)
  • Weightless-N: protocollo NarrowBand di spettro senza licenza nato dalla tecnologia di NWave
  • Weightless-P: protocollo bidirezionale nato dalla tecnologia Platanus di M2COMM

Weightless N e P sono le opzioni più popolari in quanto Weightless-W ha una durata della batteria più breve.

Weightless-N/NWave

NWave è molto simile a SigFox per quanto riguarda la funzionalità, ma vanta una migliore implementazione del livello MAC. Sostiene di utilizzare “tecniche avanzate di demodulazione” per consentire alla sua rete di coesistere con altre tecnologie radio senza rumore aggiuntivo. Come SigFox, è la soluzione migliore per reti basate su sensori, rilevamento della temperatura, monitoraggio del livello del serbatoio, misurazione intelligente e altre applicazioni simili.

Weightless-P

Questo standard utilizza la modulazione in banda stretta da 12,5 kHz (maggiore di SigFox ma inferiore a LoRa). Ha anche una velocità di trasmissione adattiva, simile a Symphony Link (da 200 bps a 100 kbps). Weightless-P ha senso per reti private, casi d’uso più sofisticati e casi in cui il controllo dei dati di uplink e downlink è importante.

In conclusione

Ci sono importanti sfumature tra le tecnologie LPWAN sopra discusse e con la nuova competizione dei protocolli NB-IoT e LTE-M, può essere difficile tenere traccia del mutevole paesaggio LPWAN. Speriamo con questo articolo di avere illustrato le principali caratteristiche e differenze delle declinazioni della LPWAN per una soluzione IoT.

Redazione RFID.it

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