IoT: Standard LPWANs Licensed Spectrum

1.  Introduzione

Le LPWANs sono reti che utilizzano un livello fisico wireless capace di offrire comunicazioni a lunga distanza e conconsumi energetici contenuti a discapito di data rate piuttosto esigui.

Esse sono   particolarmente adatte al paradigma IoT in quanto le caratteristiche di trasmissione si sposano con i requisitidei principali casi d’uso dell’“Internet delle Cose”. Inoltre, vi è un vantaggio economico legato  al costo contenuto dei chip radio, data la loro relativa semplicità che li rende facilmente installabili  in larga scala negli “oggetti intelligenti”.

Tecnologie licensed spectrum vs tecnologie unlicensed spectrum

Il mercato offre diverse tecnologie per le LPWANs suddivise in due famiglie. Vi sono le LPWANs che  utilizzano frequenze di trasmissioni appartenenti a bande a pagamento (“licensed spectrum”) e altre invece che sfruttano le bande libere da contratti (“unlicensed spectrum”), ma regolamentate da vincoli nazionali ed internazionali.

In attesa che lo standard 5G conquisti il mercato IoT, attualmente esiste un nutrito insieme di tecnologie che implementano soluzioni LPWAN. Le possibili applicazioni dell’ambito IoT e della comunicazione M2M sono innumerevoli,      pertanto ogni tecnologia cerca di affermarsi in macro ambiti differenti per cercare di evitare sovrapposizioni. Una dellesfide aperte `e di conseguenza l’interoperabilit`a tra tecnologie eterogenee.

Il raggiungimento degli obiettivi definiti nel manifesto dell’IoT saranno legati alla capacit`a che avranno le tecnologie dipoter scambiare i dati tra loro. Molto dipender`a dalla visione che hanno i big players nel cercare di convergere versol’utilizzo di  standards aperti che  favoriscono  l’interoperabilit`a,  oppure nel cercare di imporre degli standards chiusi perconsolidare la posizione di mercato.

Tuttavia, considerata la vastit`a degli scenari possibili e dei contesti applicativi, `e  impossibile  immaginare  un  solo standard  in  grado  di  coprire  tutti  i casi d’uso. È piu` probabile che si arriver`a ad avere uno standard  di riferimento in base all’ambito di utilizzo.

Le principali organizzazioni che operano nel settore dell’elettronica e delle telecomunicazioni, come Institute of Electricaland Electronics Engineers (IEEE), European Telecommunications Standard Institute (ETSI), e The Third Generation Partnership Project (3GPP) propongono ciascuno il proprio standard. A questi si aggiungono i consorzi di aziende che operano in partnership per puntare all’affermazione della tecnologia che sponsorizzano, come ad esempio LoRa Alliance, Weightless-Sig e Dash7 Alliance.

Lo scenario attuale `e caratterizzato da una forte competizione tra tutti i players del mercato. Attualmente non esiste una tecnologia leader in grado di affermarsi, in quanto le diverse soluzioni sono complementari tra loro con pregi  e difetti evidenziabili per  ciascuna. In linea  di massima, la  tendenza `e  quella  di  inseguire gli interessi di investimento deigrossi players dell’industria piuttosto che concentrare congiuntamente gli sforzi per trovare soluzioni comuni a piu` ambiti applicativi.

Considerata la grande vastit`a di soluzioni possibili, per poter scegliere quale tecnologia adottare bisogna fare valutazioni approfondite sugli aspetti tecnici del ritorno d’investimento. Se l’analisi comparativa venisse fatta analizzando solo gli aspetti di marketing promossi dai vari istituti, aziende o consorzi, si potrebbe optare per una qualsiasi soluzione inquanto nessuna  `e  dominante  rispetto  alle  altre. La previsione `e che con il tempo alcuni standards si affermeranno a discapito di altri, riducendo l’attuale frazionamento del mercato LPWAN.

Molte societ`a che operano  soprattutto nel settore dell’elettronica e delle telecomunicazioni hanno sviluppato soluzioni che cercano di soddisfare le esigenze delle reti LPWAN. Attualmente, sul mercato esistono diverse soluzioni proprietarie molto spesso complementari.

Le tecnologie wireless differiscono tra loro perch`e riescono a combinare in maniera differente i parametri della trasmissione tra cui il link budget, la tecnica di modulazione, la capacit`a del canale trasmissivo.

In generale, vale il principio che per aumentare la distanza di copertura del segnale bisogna avere una trasmissione chepredilige  modulazioni piu` robuste a discapito del bit rate. L’aspetto piu` critico rimane il consumo energetico, in quanto lasfida è quella di cercare di estendere la distanza di copertura del segnale senza aumentare l’energia necessaria altrasporto dell’informazione.

Di seguito verranno descritte le principali organizzazioni, gli standard di riferimento e le innovazioni proposte.

2.  Tecnologie Licensed Spectrum

Le tecnologie di trasmissione LPWANs “licensed spectrum” derivano dalle classiche reti di telecomunicazioni offerte dagli operatori telefonici e pertanto sono compatibili, almeno in parte, con le   infrastrutture presenti ad oggi. Esse sfruttano lo spettro delle reti 2/3/4G/5G, ma ottimizzano il consumo energetico utilizzando protocolli di comunicazione che prevedono una minore attività da parte dei dispositivi ed una minore complessità degli stessi. Conseguentemente i costi di produzione e di vendita di tali prodotti risultano contenuti così da permetterne l’impiego in larga scala.

Il 3GPP, “3^th Generation Partnership Project”, ente che negli anni si impegna a standardizzare tecnologie  di telecomunicazione, ha definito le specifiche di tre soluzioni LPWANs in banda a pagamento: EC-GSM-IoT, “Extended Coverage – Global System for Mobile communications – Internet of Things”, LTE MTC Cat-M1, “Long Term Evolution – Machine Type Communication Category – M1” anche abbreviato “LTE-M”, e NB-IoT, “Narrow Band – Internet of Things”.Si presentano di seguito le loro principali caratteristiche.

2.1.  EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT è uno standard avanzato dell’eGPRS, “enhanced General Packet Radio Service”, migliorato in termini di consumi, complessità dei dispositivi e sicurezza.

Esso implementa diverse tecniche di risparmio energetico tra cui il PSM, “Power Saving Mode”, e l’eDRX, “extended idle-mode Discontinuos Reception”, che permettono alle batterie utilizzate per alimentare i dispositivi di durare sino a 10 anni, requisito imposto dal 3GPP a questa tecnologia.

Inoltre, l’EC-GSM-IoT utilizza sistemi per la sicurezza analoghi a quelli presenti sulle reti LTE, più recenti rispetto a quelli del GSM. Punto di forza di questa tecnologia è la retro-compatibilità con le infrastrutture di rete 2G che, grazie ad alcuni aggiornamenti software, sono in grado di supportare le nuove comunicazioni offrendo copertura  nelle zone del mondo incui le reti 4G non sono ancora presenti.

2.2.  LTE MTC Cat-M1

LTE MTC Cat-M1 è uno degli standard della famiglia LTE con performance più contenute in termini di trasmissione. Esso è dotato di una connessione half-duplex con throughput sia in uplink che in downlink inferiore ad 1Mbps. Anche questatecnologia sfrutta il PSM e l’eDRX tra le altre tecniche di risparmio energetico. LTE-M condivide diverse caratteristiche interessanti con alcune delle categorie LTE tra cui una banda non eccessivamente ridotta ed una bassa latenza nellatrasmissione. Queste ultime  due proprietà lo rendono adatto ad applicazioni IoT che richiedono anche traffico voce.

2.3.  3GPP

The Third Generation Partnership Project (3GPP) si pone come obiettivo di indirizzare il mercato dell’IoT/M2Mverso le reti cellulari puntando all’evoluzione delle tecnologie esistenti verso una riduzione dei costi e della         complessit`a,miglioramento del segnale e della penetrazione ed ottimizzazione del consumo energetico.

Le soluzioni proposte da questo organismo operano tutte in bande sottoposte a licenza come Long TermEvolution (LTE)    enhancements for Machine Type Communications (eMTC), Extended Coverage GSM (EC-GSM),and Narrow-Band IoT (NB-IoT) e si differenziano  tra loro per diversa copertura, data rate, consumo energetico.

L’obiettivo comune di tutte queste tecnologie `e di massimizzare il riuso delle attuali infrastrutture esistenti e lo spettrosottoposto a licenza gi`a delle reti cellulari.

2.4.  Long Term Evolution (LTE) enhancements for Machine Type Communications (eMTC)

LTE enhancements for Machine Type Communications (eMTC) `e stato progettato in quanto lo standard LTE non siadatta alle esigenze del mondo IoT a causa dell’elevato bit rate e consumo energetico. Per ridurre il costo, pur  rimanendo compliant ai requisiti LTE, 3GPP ha provveduto a diminuire il  picco di data rate ammissibile dalla categoriaLTE 1 alla categoria LTE 0 fino alla categoria LTE M passando per diversi livelli del processo evolutivo. In  questo modola riduzione dei costi `e raggiunta supportando operazioni half duplex (trasmissione bidirezionale alternata) nella categoria0. Tale scelta   ha come effetto di ridurre la complessit`a del modem e del design dell’antenna. Il passaggio dallacategoria 0 alla categoria 1 (conosciuta come eMTC) ha comportato una drastica diminuzione dell’ampiezza di bandadisponibile in ricezione passando da 20 MHz a 1.4 MHz che, in combinazione con la riduzione della potenza trasmissiva, ha portato benefici in termini di costi e consumo energetico.

Per aumentare la durata delle batterie, 3GPP adotta due tecniche chiamate Power Saving Mode (PSM) ed extendedDiscontinuous Reception (eDRx). Queste tecniche permettono all’end device di abilitare la sleep mode per diverseore o anche giorni senza perdere la registrazione alla rete. Inoltre, l’end device evita di monitorare il canale in downlink per prolungati periodi per risparmiare energia.

2.5.  Extended Co verage GSM (EC-GSM)

Un altro standard proposto da 3GPP `e EC-GSM. Mentre il Global System for Mobile Communications (GSM) sta terminando la sua esistenza in qualche nazione, alcuni operatori di reti mobile (MNOs) potrebbero prolungare la suaoperativit`a in alcuni mercati.

In base a queste assunzioni, 3GPP propone lo standard extended coverage GSM (EC-GSM) con l’obiettivo di usare trasmissioni con potenza di segnale a +20dB nella banda Sub-GHz per una migliore penetrazione negli ambienti indoor.Il link budget opera nel range di 154-164  dBm ed è fortemente legato alla potenza trasmissiva.

Con un solo aggiornamento software delle reti GSM, lo spettro del sistema legacy GPRS pu`o comprimere i nuovi canalilogici definiti per i dispositivi EC-GSM.

EC-GSM sfrutta trasmissioni ripetitive e tecniche di elaborazione del segnale per migliorare la copertura e la capacit`a deisistemi GPRS.

A livello fisico vengono adottate due tecniche di modulazione, la Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) e la 8-aryPhase Shift Keying (8PSK) che forniscono picchi     di data rate fino a 240 kbps. Questo  standard `e  stato  rilasciato  nel 2016  ed ha annunciato di poter supportare 50 mila dispositivi per singola base station.

2.6.  Narrow-Band IoT (NB-IoT)

Nel 2016 fu lanciata, oltre a EC-GSM, un’altra tecnologia 3GPP conosciuta come NB-IoT. NB-IoT `e stata progettata peressere totalmente compliant ai requisiti delle LPWAN. NB-IoT non è  compatibile con 3G, ma pu`o coesistere con GSM,GPRS ed LTE e pu`o essere supportato dalle infrastrutture LTE con un semplice aggiornamento software. Questo tipo di trasmissione pu`o esistere all’interno di un singolo canale GSM di 200 KHz, all’interno  di un singolo LTE physicalresource block (PRB) di 180 kHz o all’interno di     un canale di guardia LTE.

Se confrontato con eMTC, NB-IoT riduce il costo del consumo energetico riducendo la bandwidth ed il data rate in quanto necessita solo di 180 KHz. Inoltre, semplifica il design del protocollo ed il supporto alla  mobilit`a. Questatecnologia dispone di un link budget di 164 dBm e connette contemporaneamente fino a 50 mila device per cella con la  capacita`  di aumentare la scalabilit`a aggiungendo piu` canali.

A livello fisico si utilizza Frequency Division Multiple Access (FDMA) per le trasmissioni in uplink e Orthogonal FDMA(OFDMA) in downlink. Il data rate `e limitato a 250 kbps per le trasmissioni multi tono in downlink e 20 kbps per le trasmissioni singolo tono in uplink.

Secondo alcuni studi la tecnologia NB- IoT pu`o raggiungere una durata delle batterie di 10 anni quando trasmette 200byte al giorno in media.

La tecnologia NB-IoT non è esente  da alcune criticit`a. Innanzitutto, `e possibile ricevere acknowledgement solo per lamet`a dei  messaggi  trasmessi  a  causa della limitata capacit`a del canale in down-link. Questo aspetto implical’impossibilit`a di sviluppare applicazioni IoT che necessitano della convalida della ricezione di tutti i messaggi trasmessi.L’implementazione di un meccanismo che renda piu` affidabile la trasmissione fa aumentare la complessit`adell’applicazione ed il consumo energetico. Un altro aspetto  critico è l’utilizzo del packet  aggregation, che consistenell’unire piu` pacchetti in uno solo piu` grande al costo di aumentare il delay di trasmissione. Questa tecnica, per ildesign di alcune applicazioni, pu`o rappresentare un limite.

NB-IoT pu`o risentire quando opera in contesti in cui c’`e un’elevata presenza di traffico dati/voce, in quanto effettua unariallocazione  dinamica dello spettro per alleggerire la congestione con ripercussioni sulle performance.

Quando un end device viene messo in produzione la sua stima  di vita `e di 10/20 anni, il che rappresenta un ordine digrandezza nettamente superiore se paragonato al ciclo di vita dei telefoni cellulari che `e di circa  2 anni.

Una delle maggiori criticit`a che affligge il mondo delle reti cellulari `e che quando si affaccia una nuova generazione sipongono questioni in merito  al mantenimento delle reti legacy, come ad esempio `e accaduto  con l’arrivo del 4G che hamesso in discussione l’esistenza del GSM per poter recuperare  lo spettro o sta accadendo di nuovo con il deploy del 5G a discapito del 4G. Questo punto potrebbe bloccare gli utenti finali che non riuscirebbero ad avere un rientrodell’investimento economico per poter adeguare gli end devices ai nuovi standard.

NB-IoT, più precisamente LTE Cat-NB1, “Long Term Evolution Category – NB1”, è uno standard che   riutilizza diversi component di LTE, sia a livello fisico che nei protocolli di livello più alto. È dotato di connessioni ancora meno performanti rispetto a LTE-M ma è in grado di supportare fino a 50.000 dispositivi con una singola base station e garantisce unalunga durata delle batterie dei dispositivi che lo utilizzano: anche in questo caso infatti, come per EC-GSM-IoT, il 3GPP ha imposto dei vincoli sul risparmio energetico.

Tabella 1 – Confronto tra le prestazioni offerte dalle 3 tecnologie LPWAN operanti in banda a pagamento.

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