IoT: Standard LPWANs Unlicensed Spectrum

1.  Introduzione

Le tecnologie LPWANs “unlicensed spectrum” sono soluzioni che sfruttano diverse bande prive di licenza per latrasmissione dei dati. Tali bande non richiedono il pagamento di concessioni per il loro utilizzo,  ma sono regolamentate da organi nazionali ed internazionali per assicurarne una fruizione condivisa e imparziale a tutti gli utenti interessati.

L’European Telecommunications Standard Institute (ETSI) lavora per standardizzare le trasmissioni bidirezionali a basso data rate. Lo standard soprannominato Low Throughput Network (LTN) `e stato rilasciato nel 2014 con tre gruppi dispecifiche, che riguardano i casi d’uso, l’architettura, il pro tocollo e le interfacce. L’obiettivo principale `e quello di ridurrela radiazione elettromagnetica sfruttando un payload di dimensione ridotta ed un basso data rate.

LTN definisce diversi protocolli e interfacce per l’interoperabilit`a tra end devices, base station, network server e sistemi di management. Motivati dal fatto che le emergenti reti LPWAN utilizzano sia trasmissioni UNB  (come Sigfox e Telensa) chetrasmissioni ortogonali a dispersione dello spet tro OSSS (come LoRa), lo standard LTN non definisce alcuna restrizione.Questo standard fornisce flessibilit`a agli operatori, che possono scegliere se adottare la propria soluzione UNB o OSSS nella banda ISM Sub-GHz.

La specifica raccomanda di usare BPSK in uplink e GFSK in downlink per le trasmissioni UNB. Per le modulazioni OSSSè possibile usare un qualsiasi schema che supporti la bidirezionalit`a. Per quanto riguarda la sicurezza, sono previstemisure per la cifratura dei dati e metodi di autenticazione. Diversi providers come Telensa, Sigfox e Semtech sono attivamente coinvolti con  ETSI per standardizzare le proprie tecnologie.

Si presentano di seguito alcune delle tecnologie “unlicensed spectrum” più diffuse e successivamente si forniscono i dettagli sulle regolamentazioni presenti in Europa per le bande utilizzate.

2.  LoRaWAN

LoRaWAN è uno stack di rete prodotto dalla LoRa Alliance, un consorzio di diverse aziende delle telecomunicazioni. Il livello fisico della rete utilizza LoRa, una tecnologia di modulazione wireless proprietaria di Semtech basata sulla tecnicaCSS, “Chirp Spread Spectrum”, in grado di garantire una elevata resistenza alle interferenze e al rumore.

Semtech `e la societ`a francese che ha sviluppato il protocollo LoRa e detiene i diritti sulle specifiche dello strato fisicodello stack. Le societ`a terze che volessero produrre dei dispositivi LoRa compliant devono pagare delle royalties a Semtech per acquisire le licenze.

Le caratteristiche dei livelli superiori,    nonch`é l’architettura del sistema sono invece definite tramite specificheLoRaWAN rilasciate nel Luglio 2015 e gestite dalla LoRa Alliance, un consorzio che raggruppa diversi operatori delsettore.

La trasmissione è bidirezionale, uplink e downlink, ma  i dispositivi sono suddivisi in classi (A, B e C) che prevedono capacità di invio e ricezione dei dati differenti. A livello MAC, LoRaWAN presenta un protocollo aperto che permette achiunque di dotarsi di gateway e creare cloud privati per lo sviluppo di applicazioni IoT.

3.  Sigfox

Sigfox è una startup nata nel 2009 ed è stata tra le prime ad investire sulle LPWANs. La sua tecnologia è basata su una modulazione UNB, ossia Ultra Narrow Band, capace di trasmettere dati con un basso data rate in una banda molto stretta per evitare interferenze tra i diversi pacchetti. Il canale di trasmissione è  half-duplex, ma la capacità in downlink èquasi nulla mentre quella in uplink prevede data rate contenuti con payload applicativi di dimensioni ridotte (12 byte).

SigFox `e provider di telecomunicazioni a livello mondiale che offre servizi di connettivit`a orientata solo all’ambito IoT eM2M. L’azienda ha sviluppato una sua tecnologia proprietaria in cui offre connettivit`a agli end device tramite la propriainfrastruttura. Il vantaggio per l’utente `e che non deve occuparsi di nessun aspetto relativo all’implementazione egestione, ma pu`o agganciarsi con un end device alla rete Sigfox. Sigfox Network Operator si occupa di gestire il deploy delle base station che vengono equipaggiate con un cognitive software defined radio ed interconnesse tra loro attraverso la rete IP.

Questa tecnologia utilizza per la trasmissione dei dati la modulazione di segnale BPSK (Binary Phase Shift Key) in ultra-narrowband (UNB) a 100Hz nella banda ISM Sub-GHz. Grazie all’uso di UNB, Sigfox utilizza la bandwidth in maniera efficiente con il vantaggio di avere un livello molto basso di rumore sul singolo canale. In questo modo `e possibileottenere un’ottima soglia di sensitivit`a per il ricevitore, un consumo molto basso di energia e antenne con il design moltosemplice. Il punto di debolezza `e il limitato bit rate che si attesta attorno ai 100 bps, limitando di fatto i casi possibili diapplicazione.

Inizialmente Sigfox supportava solo comunicazioni in uplink, ma successivamente si `e evoluta permettendocomunicazioni bidirezionali. Le comunicazioni in downlink possono essere fatte solo dopo una comunicazione in uplink, in quanto l’end device apre una finestra in ascolto per ricevere comunicazioni dalla base station. Il numero di messaggiin uplink `e limitato a 140 al giorno con una dimensione massima di 140 byte per ogni messaggio, in conformit`a alle legginazionali e alle regolamentazioni di accesso alle bande libere. L’accesso al canale radio `e asimmetrico, ed essendociun limite massimo sul numero di messaggi che possono essere spediti nell’arco di un giorno non  `e garantito unmeccanismo di ack dopo ogni trasmissione.

Non essendoci conferma garantita sulla trasmissione dei dati, l’affidabilit`a delle comunicazioni viene migliorata usando tempo e frequenze diverse per avere trasmissioni ridondanti. L’idea `e quella di trasmettere un singolo messaggio piu`volte usando canali con frequenze differenti. A questo scopo, in Europa, la banda tra gli 868.180-868.220 MHz `esuddivisa in 400 canali con ampiezza di 100Hz, di cui 40 canali sono riservati e non usati. La base station effettua lascansione di tutti i canali per decodificare i messaggi, mentre l’end device pu`o  autonomamente scegliere unafrequenza a caso su cui trasmettere il proprio messaggio. Questo aspetto semplifica molto il design dell’end device.

Inoltre, un singolo messaggio pu`o essere trasmesso piu` volte (3 di default) per incrementare la probabilit`a che vengaricevuto dalla base station.

Il piano di mercato di Sigfox segue una filosofia opposta rispetto alla LoRa Alliance: in questo caso infatti l’hardware può essere acquistato liberamente da qualsiasi venditore che decida di implementare il protocollo fisico di trasmissione. Tuttoil livello software della rete è invece proprietario, dunque per utilizzare una rete Sigfox è necessario pagare periodicamente il loro servizio.

4.  Weightless

Weightless SIG, “Special Interest Group”, è un’organizzazione no profit che ha ideato tre diverse soluzioni: Weightless-W, la prima ad essere realizzata, Weightless-N e Weightless-P.

Weigthless Special Interest Group propone tre standard LPWAN aperti, ognuno dei quali fornisce differenti features, range e consumi energetici. Questi standard operano sia nello spettro ISM che in quello con sottoposto a licenza.

Weightless `e  uno  standard  LPWAN  aperto  che  realizza  una  piattaforma con l’obiettivo di diventare uno standardglobale di riferimento consentendo l’innovazione attraverso software aperto. Come le altre tecnologie LPWAN,Weightless opera nella banda SUB-GHz. I suoi 3 standard aperti forniscono all’utente finale piu` scelte.

Weightless-N  offre  un  semplice  standard  direzionale ad una via con una lunga vita della batteria fino al 10 anni, unitamente ad un complessivo basso costo. La piattaforma Weightless offre anche la possibilit`a di comunicazione adue vie, ma a fronte di una minore durata di vita delle batterie ed un piu` alto costo di gestione della rete.

Weightless-W `e l’opzione piu` estesa e opera fuori dello spettro TV inutilizzato, ma ha qualche svantaggio. La piattaforma Weightless ha complessivamente un ecosistema aperto, nel senso che ci sono piu` software aperti e venditori disponibili.Essa agisce come Weightless Special Interests Group (SIG), praticamente una organizzazione no profit formata per lo sviluppo dei suoi standard aperti, nonch`e per il test di imminenti tecnologie. Lo standard piu` diffuso, ossia il Weightless-W, ha la caratteristica di una minore breve durata delle batterie (circa 3-5 anni) ed un maggiore costo dispositivo terminale e della rete. Come la Nwave, questa tecnologia `e meno conosciuta.

Tutte le soluzioni di Weightless sono aperte sia a livello hardware, acquisto dei chip presso qualsiasi rivenditore, sia a livello software, dal momento che la piattaforma di gestione e acquisizione dei dati attraverso la rete può essereinstallata privatamente.

Tabella 1 – Confronto tra le prestazioni offerte dalle tecnologie LPWAN operanti in banda libera.

4.1.  Weightless-W

La prima ad essere realizzata è stata Weightless-W ma non ha avuto un grande successo. Il suo sistema  di comunicazione prevede l’uso delle frequenze lasciate libere dai canali TV e non garantisce un risparmio energetico elevato.

Weigthless-W ha un’ottima propagazione del segnale in quanto sfrutta il white space (canali di guardia) dello spettro usato dalle trasmissioni televisive. Questa tecnologia supporta diverse modulazioni quali la 16-Quadrature Amplitude Modulation (16- QAM) e la Differential-BPSK (DBPSK), nonch`e un ampio range di spreading factors.  In base al linkbudget utilizzato possono essere trasmessi pacchetti con data rate tra 1 Kbps e 10 Mbps. Gli end device comunicano con la base station utilizzando trasmis sioni narrowband. Questa tecnologia ha un inconveniente, dovuto al fatto che ilwhite space dello spettro usato dalle trasmissioni televisive pu`o essere utilizzato solo in alcune nazioni.  Nelle nazioniin cui non `e possibile sfruttare il white space vengono usati altri due standards che operano nella banda ISM che `eglobalmente  riconosciuta.

4.2.  Weightless-N

La seconda, Weightless-N, è una tecnologia molto simile a Sigfox in quanto utilizza una modulazione UNB ma afferma di possedere un livello MAC migliore rispetto al concorrente poiché dotato di “advanced demodulation techniques”, un sistema capace di recuperare errori dovuti all’interferenza di con altre trasmissioni radio.

Weigthless-N `e uno standard che utilizza trasmissioni UNB unidirezionali in uplink e, a differenza degli standardWEIGHTLESS, riesce ad avere una migliore efficienza energetica e minori costi di implementazione del dispositivo. Lamodulazione usata  e DBPSK nella banda Sub-GHz. Il numero di scenari applicativi possibili `e limitato dal fatto che sono ammissibili solo trasmissioni unidirezionali.

4.3.  Weightless-P

Weightless-P, la più recente, utilizza l’FDMA, “Frequency Division Multiple Access”, e il TDMA, “Time Division Multiple Access”, in una banda di 12.5kHz (più ampia di Sigfox ma minore di LoRa).

Weigthless-P utilizza due modalit`a di accesso al canale a livello fisico. La prima modalit`a usa la modulazione GMSK,mentre la seconda us QPSK, perci`o gli end device possono essere prodotti senza integrare un chipset proprietario.  I canali narrowband hanno una bandwidth di 12.5 KHz ed operano nello spettro ISM, in cui raggiungono data rates inrange che varia tra 0.2 kbps e 100 kbps. Per supportare in pieno il meccanismo di acknowledgments e le capacit`a dicomunicazioni bidirezionali `e possibile fare un firmware upgrade over-the-air. Tutti gli standards Weigthless utilizzano chiavi simmetriche per la crittografia dell’autenticazione degli end devices e per l’integrit`a dei dati.

5.  Qowisio

Qowisio `e una societ`a francese operante nel settore delle telecomunicazioni che ha sviluppato una soluzione LPWANdual stack che combina l’utilizzo di una tecnologia proprietaria UNB con LoRa.

Essa  fornisce connettivit`a come servizio agli utenti finali. La societ`a fornisce sia gli end device che l’infrastruttura, sviluppa applicazioni custom che si appoggiano su un sistema cloud di back-end. Non esistono dettagli tecnici sull’implementazione delle proprie tecnologie.

6.  Nwave

La piattaforma Nwave ha la caratteristica di essere un sistema a ultra banda stretta RF (UNB), che opera nelle bande SUB-GHz ISM. L’architettura  di rete `e una topologia a stella che consente agevoli e dirette comunicazioni tra base station. Nwave ha come brand il sistema basato su “advanced demodulation techniques” che consente alla sua rete di coesistere con altre tecnologie radio senza rumore aggiuntivo.

7.  Ingenu

Ingenu (formalmente conosciuta come On-Ramp Wireless) `e una compagnia statunitense che ha sviluppato una soluzione proprietaria nell’ambito delle tecnologie LPWAN. Il livello PHY e MAC di Ingenu è compliant allo standard802.15.4k.

A differenza delle tecnologie concorrenti non utilizza lo spettro nella banda dei Sub-GHz, ma opera nella banda ISM a 2.4 GHZ. Le frequenze nello spettro dei 2.4 GHz non si prestano bene alla copertura di segnale sulle lunghe distanze in quanto sono molto suscettibili alla presenza di   ostacoli e rumore. Il vantaggio `e che, a differenza della banda Sub-GHz, non ci sono vincoli di normative e di regolamentazioni sul duty cycle, garantendo così alte prestazioni in termini di throughput.

Ingenu utilizza a livello fisico per l’accesso al canale radio uno schema proprietario chiamato RPMA (Random Phase Multiple Access) – DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), utilizzato per le trasmissioni in uplink. RPMA viene considerata come un’implementazione di DSSS piuttosto estrema. Esiste un trade off tra  la dispersione del segnale edil tempo di ricezione del messaggio. Quanto piu` un segnale viene disperso, tanto piu` `e il tempo che ci impiega perpoter essere recapitato. Ad esempio, CDMA `e stato pensato per il trasporto della voce ed ha una piccolissima latenza nell’ ordine dei millisecondi. Al contrario RPMA, che si colloca nell’ambito delle applicazioni LPWAN IoT, sfrutta la caratteristica di poter tollerare un elevato delay sull’ordine dei secondi.

Ingenu a differenza di altri ha agito sul controllo del processing gain semplicemente aumentando il link budget, che gli permette di disperdere maggiormente il segnale. Il processing gain `e il rapporto tra l’ampiezza di banda del segnale disperso e il segnale in banda base e viene espresso in dB. Ad esempio, se un segnale di 1 KHz in banda base viene disperso in 100 KHz, il rapporto sar`a: 100000 / 1000 = 100, che in decibel equivale a 10log₁₀(100) = 20dB.

A confronto con le altre tecnologie LPWAN, Ingenu ha un link budget piu` elevato che si attesta sui 177 dBm.

Per capire come RPMA sfrutta al massimo il processing gain, `e possibile fare un paragone con la tecnologia CDMA usata nelle reti cellulari. In CDMA   si ha un processing gain di 18 dB che corrisponde a 64 chips per codificare un simbolo, mentre RMPA usa 39 dB di processing gain che corrisponde a 8192 chips. In altre parole, il segnale RPMA `e disperso128 volte in piu` di un segnale CDMA. Ovviamente, RPMA non disperde il segnale così in estremo per  ogni messaggio,ma si adatta in base al contesto. Questa flessibilit`a determina maggiore affidabilit`a al protocollo RPMA.

Per la maggior parte del tempo, RPMA cerca di trasmettere disperdendo il segnale meno possibile, ma in caso di forte interferenza aumenta il fattore di dispersione. Grazie a questa tecnica `e possibile ottenere anche una coperturamigliore rispetto a DSSS. Uno dei punti di forza di DSSS (e che RPMA `e in grado di spingere all’estremo) è lacapacit`a di trasmissione del segnale anche in presenza di forte rumore generato dalle altre stazioni che usano la stessafrequenza. DSSS `e immune al rumore in quanto confonde il segnale utile con il rumore stesso. Ovviamente, questamodulazione non `e totalmente immune, ma `e piu` robusta se paragonata altre. RPMA `e in grado di identificare il segnaleanche se `e 2000 volte piu` debole del rumore. Tutte le altre tecnologie funzionano con il principio che il segnale utiledeve essere piu` forte del rumore altrimenti la decodifica `e impossibile. Questo `e possibile portando al massimo ladispersione di segnale possibile con DSSS.  Questo fattore è molto importante se si considera che Ingenu usa la bandadei 2.4 GHZ in cui c’`e molto rumore generato da tante altre tecnologie wireless come Wi-Fi, Bluetooth e Zigbee.

RPMA usa canali con ampiezza di 1 Mhz suddivisi in time slot chiamati frames. Questi slot sono molto piu` ampi separagonati con i frame usati dalle tecnologie cellulari come per CDMA, in cui si tende a misurare nell’ordine delle decinedi millisecondi e non in secondi. L’accesso agli slot viene fatto aggiungendo un ritardo random per ogni trasmettitore per evitare che questi collidono nell’accesso allo stesso slot.

Dato che RPMA `e stato progettato per trasmettere piccoli dati, Ingenu adotta un approccio TDD (Time Division Duplex).RPMA  `e in grado di capire le condizioni del canale in uplink, ovvero quanto disturbo dovuto al rumore `e  presente,  ascoltando il canale in ricezione. RPMA sfrutta il fenomeno chiamato “channel reciprocity”, che `e usato nella tecnicaTDD in cui la frequenza in trasmissione `e esattamente la stessa di quella in ricezione. Anche lievi variazioni difrequenza possono determinare condizioni di canale molto diverse. Se il canale è disturbato, RPMA aumenta la diffusionee la potenza di trasmissione, al contrario diminuisce la diffusione e la potenza di   trasmissione. Il controllo della potenza trasmissiva usato da RPMA `e chiamato “open loop power control”. Con questa tecnica, l’endpoint misura la potenza disegnale ricevuta sul canale in downlink e la usa per configurare la potenza di segnale in uplink senza nessun tipo disegnalazione proveniente dalla base station.

Il transmit power control, in combinazione con la capacit`a di poter trasmettere 1000 messaggi sovrapposti fornita da DSSS determina la  capacit`a  possibile  di  RPMA. Questo aspetto ha ripercussioni sulla durata delle batterie e sullascalabilit`a. Il miglioramento al consumo energetico apportato  dalla tecnica “open loop power control”  `e dato dallacapacit`a di poter regolare la potenza di segnale in base alle condizioni del canale, quindi di fatto usa solo l’energia effettiva a poter trasportare l’informazione dalla base station all’endpoint.

Figura 1 – Rpma slot.

Nella Figura 1 è rappresentato il formato di uno slot RMPA. Lo slot in do- wnlink precede quello in uplinkpermettendo di regolare la potenza di segnale in trasmissione dopo aver quantificato la potenza di segnale in downlink.Dato che la base station trasmette sempre in downlink alla stessa potenza, la potenza di segnale ricevuta `e usata percalcolare quanto rumore c’`e sul canale e quindi con quanta potenza deve essere inviato il messaggio in uplink. Se ilcanale `e libero da interferenza il segnale ricevuto ha un buon livello di energia, altrimenti qualora fosse disturbato il segnale ricevuto ha una potenza inferiore. RPMA non garantisce l’accesso al canale ai trasmettitori esatta- mente unoalla volta all’inizio di uno slot, pertanto riduce la sovrapposizione dei segnali trasmessi e cos`ı incrementa il rapporto segnale rumore sul singolo canale.

Dal punto di vista del ricevitore, la base station utilizza piu` demodulatori per decifrare i segnali che arrivano in tempidiversi nello stesso slot. Ingenu fornisce comunicazioni bidirezionali con una leggera asimmetria nelle trasmissioni.

Per le comunicazioni in downlink, la base station disperde i segnali per ciascun end device e li diffonde usando CDMA. RMPA raggiunge una soglia di sensitivit`a di -142 dBm con un link budget di 168 dBm. Inge- nu sta facendo diversi sforzi per adeguare il PHY layer allo standard IEEE 802.15.4k. La  tecnologia RPMA  `e  compliant  allo  standard  IEEE 802.15.4k .

8.  Telensa  

Telensa `e un’azienda inglese che opera nell’ambito delle smart city ma so- prattutto nel settore dell’illuminazionepubblica intelligente.

Questa societ`a ha sviluppato una tecnologia per applicazioni LPWAN progettando intera- mente lo stack di rete della soluzione proprietaria con il supporto all’integrazione di software di terze parti. La soluzione sviluppata si basa su unatecnica di modulazione proprietaria UNB che usa la banda libera ISM con frequenze SUB-GHz.

Non ci sono molti dettagli sull’implementazione della tecnologia wireless di Telensa, pertanto l’azienda si `e posta comeobiettivo di standardizzare la propria tecnologia usando usando le specifiche ETSI Low Throughput Networks (LTN) per una facile integrazione delle applicazioni.

Attualmente Telensa si `e concentrata su ambiti applicativi molto specifici quali l’illuminazione intelliggente di cui dichiara di essere leader e smart parking. Per rafforzare la propria posizione come leader di mercato dell’illuminazione  pubblicaintelligente, Telensa `e  confluita  nel  consorzio TALQ  che  si occupa del controllo e monitoraggio dell’illuminazionepubblica.

9.  DASH7

DASH7 Alliance `e un consorzio industriale che definisce uno stack di rete completo e verticale per connettivit`a LPWANconosciuto come DASH7 Alliance Protocol (D7AP).

Originariamente questa tecnologia nello standard ISO/IEC 18000-7 veniva impiegata per dispositivi RFID, per poi evolversi in uno standard che fornisce connettivit`a a medio raggio per  sensori e attuatori.

DASH7 impiega trasmissioni narrowband con modulazioni GFSK nella banda Sub-GHz. A confronto con le altretecnologie LPWAN, DASH7 presenta alcune sostanziali differenze. Innanzitutto, utilizza una topologia di rete ad albero come default e non a stella. Nella topologia ad albero gli end devices sono collegati ad un duty-cycling sub-controllers che li collega alla base station che `e sempre accesa.  Questo meccanismo di duty cycle aggiunge complessit`a aldesign dei layers superiori.

Il livello MAC di DASH7 impone agli end device di ascoltare periodicamente il canale per verificare la presenza dieventuali trasmissioni in downlink. Questo meccanismo permette di avere comunicazioni soggette a poca latenza, ma al prezzo di un maggiore consumo energetico a causa dell’attivit`a di ascolto del canale.

Infine, a differenza delle altre tecnologie LPWAN, DASH7 definisce uno stack di rete per intero permettendo alle applicazioni e agli end devices di comunicare tra loro senza  dover  gestire la complessit`a dei layers PHY e MAC. DASH7implementa il supporto per forward error correction ed usa chiavi simmetriche per la crittografia.

10.  Ietf

IETF (Internet Engineering Task Force) è un organismo internazionale che, nell’ambito dell’ecosistema LPWAN, hal’obiettivo di favorire l’interoperabilita` nella moltitudine di tecnologie proprietarie proponendo uno standard che permetta lacomunicazione tra dispositivi a basso consumo energetico basata su protocollo IP.

La soluzione proposta da IETF consiste in uno stack basato su IPv6 progettato per lo standard 802.15.4 chiamato 6LowPAN. Tuttavia, 6LowPAN `e stato pensato per poter funzionare nell’ambito delle LRWPAN che sono caratterizzate,rispetto a LPWAN, da data rate piu` elevato, payload di dimensioni maggiori ed un raggio di copertura di media distanza. Considerato che i requisiti che caratterizzano le LPWAN sono differenti, si pongono delle sfide per adattare lo standard 6LowPAN alle nuove  esigenze.

Il primo aspetto da considerare `e che le tecnologie LPWAN sono eterogenee, pertanto ognuna elabora i dati con formati differenti e possiede MAC e PHY layers diversi.

In secondo luogo, va considerato che molte tecno logie operano nella banda ISM, che sono sottoposte a vari vincoli sul massimo data rate, time-on-air, frequenza di trasmissione in base alle normative nazionali.

Infine, buona parte delle tecnologie LPWAN sono caratterizzate da forte asimmetria tra le comunicazioni in downlink e uplink, tipicamente limitando le trasmissioni in downlink. Ne consegue che lo stack IP dovrebbe essere abbastanzaleggero e flessibile per soddisfare tutti i requisiti e le limitazioni dei livelli sottostanti. Sfortunatamente, questi aspetti non sono stati presi in considerazione quando l’IETF ha lavorato allo standard.

Il gruppo di  lavoro IETF che sta lavorando ad uno standard basato su stack IPv6 adatto all’ambito LPWAN si `eformalmente costituito nell’Aprile 2016. L’obiettivo `e quello di fornire connettivit`a ed interoperabilit`a a dispositiviappartenenti a tecnologie eterogenee mediante stack IPv6 mantenendo la scalabilit`a delle infrastrutture.

Esistono problematiche di natura tecnologica che devono essere  affrontare  affinch`e  si possa davvero poter fareinteroperare i dispositivi tra loro tramite uno stack IPv6. Le tecnologie LPWAN hanno un payload limitato dei pacchetti,pertanto l’header deve essere adattato alle dimensioni ridotte. I pacchetti IPv6 potrebbero essere di dimensionimaggiori rispetto al    pacchetto di livello MAC, pertanto per poter essere incapsulati andrebbero frammentati e riassemblati. Tuttavia, molte tecnologie LPWAN non supportano nativamente la frammentazione dei pacchetti a livello MAC, quindi questo processo andrebbe interamente definito.

Per poter gestire, amministrare e monitorare tutte le componenti di un’infrastruttura LPWAN quali gli    end device, basestation, applicazioni, server `e necessario che venga definito un protocollo specifico (come SNMP nelle reti LAN) di segnalazione poco complesso che possa integrarsi ed interagire con il livello MAC. I requisiti di sicurezza, integrit`a deidati e privacy devono essere necessariamente preservati specialmente in relazione al fatto che le tecnologie LPWAN adoperano trasmissioni radio.

Per rendere il processo legato alla crittografia meno com plesso da gestire per i dispositivi con scarse capacit`acomputazionali, spesso si usano tecniche di crittografia con chiavi simmetriche che vengono condivise tra il dispositivo e la rete. Questo fattore potrebbe diventare un aspetto critico dal punto di vista della sicurezza ed andrebbero studiatesoluzioni piu` robuste.

11.  IEEE 802.15.4k

Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) sta concentrando  i propri sforzi nell’estendere il range di copertura del segnale e di ottimizzare il consumo energetico per gli standards IEEE 802.15.4 che definisce le LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Network) e IEEE 802.11 che definisce le WLAN (Wireless Local Area network).

Il lavoro condotto dall’IEEE consiste nel definire un insieme di nuove specifiche per i livelli PHY e MAC dei rispettivi standards. Due standards LPWAN sono stati proposti come modifiche allo standard di base di IEEE 802.15.4.

Il primo standard viene identificato con IEEE 802.15.4k conosciuto come Low Energy, Critical  Infrastructure Monitoring  Networks. TG4k `e  la  task  group  che  propone 802.15.4k come riferimento per applicazioni low-energycritical infrastructure monitoring (LECIM) che operano nella banda ISM sia SUB-GHz che 2.4 GHz.

Lo standard IEEE 802.15.4k `e stato creato in risposta alle problematiche di trasmissione a corto raggio e alta densit`adel deploy di dispositivi nelle reti  mesh LR-WPAN. Per  sopperire  a  queste  criticit`a  sono  state  implementate delle modifiche al PHY layer adottando le modulazioni DSSS e FSK. Inoltre, `e possibile usare differenti ampiezze di bandadei canali che spaziano nel range da 100KHz a 1 MHz.

Le modifiche apportate al PHY layer si riflettono anche sul MAC layer. L’innovazione che riguarda il MAC layer prevedel’adozione del meccanismo CSMA/CA con PCA (PCA) e di ALOHA con PCA. PCA (Priority Channel Access) `e statointrodotto tramite lo standard IEEE  802.15.4k e definisce il concetto di messaggi con priorit`a.

Cos`ı come nello standard IEEE 802.15.4, nella variante 802.15.4k viene definita a livello MAC una struttura superframe.La struttura superframe prevede l’utilizzo dei beacons che sono trasmessi ad intervalli periodici dalla base station che indicano l’inizio e la fine della struttura superframe. Gli end device devono essere sincronizzati con la struttura superframe per poter trasmettere segnale. La struttura superframe suddivide il tempo in slot logici e comprende due periodi.

• Il primo periodo conosciuto come CAP (Content Access Period) permette alle varie stazioni radio di contendersi l’accesso al canale tramite meccanismo CSMA/CA.
• Il secondo periodo conosciuto come CFP (Content Free Period) permette alle stazioni radio di spegnere il trasmettitore per poter ottimizzare il consumo energetico entrando in sleep

La    feature introdotta  con 802.15.4k `e che opzionalmente `e possibile aggiungere uno slot nel periodo CAP della strutturasuperframe. PCA `e allocato solo in presenza di un messaggio con priorit`a che viene  generato in occasione di un eventocritico. Il  PAN  Coordinator  pu`o  decidere  di  operare  in  modalit`a beacon enabled o non beacon enabled. E’ possibile adottare una struttura superframe solo nel primo caso, con il conseguente utilizzo di PCA. Nel caso  ci fossero piu` allocazioni PCA  nel superframe, la prima viene messa all’inizio del CAP, mentre le successive sono uniformemente distribuite su tutto il periodo di CAP. La lunghezza dello slot PCA deve essere sufficientemente ampia per trasportare un messaggio con priorità.

Figura 2 – PCA allocation.

Attraverso l’uso di PCA l’end device e la base station possono adottare meccanismi di priorit`a per la gestione del traffico di rete introducendo  una nuova nozione di QoS.

Come per le altre tecnologie LPWAN, anche in IEEE 802.15.4k viene adottata una topologia a stella che permette lo scambio di messaggi schedulati e asincroni.

Questo standard `e stato pensato principalmente per gli scenari applicativi Low-Energy Critical Infrastructure Monitoring (LECIM).

12.  IEEE 802.15.4g

IEEE propone anche lo standard IEEE 802.15.4g che definisce le Low-Rate Wireless Smart Metering Utility Networks. La task force TG4g propose nel 2012 le prime modifiche allo strato fisico dello standard 802.15.4 base in modo da potersupportare le modulazioni FSK (Frequecy Shift Key), OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access), QPSK(Quadrature Pha- se Shift Keying) che prevedono diversi data rate nel range tra i 40 kbps e 1 Mbps in base alle diverseregioni.

Ad eccezione di una sola banda (atti va solo negli USA), lo strato fisico lavora nella banda ISM Sub-GHz e 2.4 GHz. IlPHY layer `e stato progettato per il recapito di frame di dimensione fino a 1500 byte per evitare la frammentazione a livello IP dei pacchetti. Le modifiche a livello  MAC  per  essere  compliance  allo  strato  fisico  vennero  gi`a implementate con lo standard IEEE 802.15.4e per poi essere adottate anche da IEEE 802.15.4g.

13.  WiFI

IEEE non si `e limitata a definire nuovi standard nell’ambito delle LR-WPAN, ma ha proposto anche delle modificheallo standard 802.11 che definisce le WLAN, permettendo alla tecnologia Wi-Fi di avere un   ruolo nel mondo dell’IoT. Il task group AH (TGah) il Topic Interest Group (TIG) hanno concentrato i loro sforzi per adattare la tecnologia Wi-Fi adaumentare raggio di copertura del segnale e diminuire il consumo energetico.

TGah propone le specifiche per lo standard 802.11ah che permettono a Wi-Fi   di operare su long range nella banda ISM Sub-GHZ. Rispetto allo standard 802.11ac sono state introdotte nuove features per poter raggiungere coperture fino a 1 chilometro di distanza in ambienti outdoor con data rate fino a 100 kbps.

Il livello fisico usa la modulazione OFDM che ha un data rate dieci volte piu` lento  rispetto  a  802.11ac. Il livello MAC dellostandard 802.11ah, riduce l’overhead causato dai frames, headers e beacons per ottimizzare il consumo energetico. Inoltre, sono supportati migliaia di dispositivi connessi e le collisioni possibili. Come accade nella struttura superframe prevista in 802.15.4, gli end device possono adottare  una modalit`a a risparmio  energetico  spegnendo  il  ricevitore radio  durante  i  periodi  di  inattivit`a,  tuttavia  `e necessaria la sincronizzazione con la base station.

Grazie alle nuove features   di ottimizzazione del consumo energetico e aumento del raggio di copertura del segnale lostandard 802.11ah ha apportato notevoli miglioramenti rispet to ad altri standard come 802.11,  Bluetooth  e  Zigbee.  Tuttavia, esso non `e ancora del tutto paragonabile alle altre tecnologie che afferiscono all’ambito delle LPWAN, pertantonon `e ancora considerato come tale. Inoltre, esistono delle possibili applicazioni che potrebbero necessitare di unmedio data rate con un consumo relativamente basso di energia, che potrebbero far affermare questo standard.

La fattibilit`a dell’uso di IEEE 802.15.4ah nell’ambito dell’IoT/M2M `e stato documentato dimostrando che usando la bandadei 900 MHz per le trasmissioni in downlink `e possibile raggiungere un raggio di 1 Km con un data rate di 100 kbps ed una potenza trasmissiva di 20 dBm. Per le trasmissioni in uplink `e difficile raggiungere le stesse performance in quanto il client lavora con bassa potenza a 0 dBm e deve abilitare il duty cycle affinch`e le batterie possano durare anni. In questocaso la distanza massima raggiunta `e di 400 metri.

14.  Regolamentazioni delle bande “unlicensed”

Le tecnologie proposte in questo paragrafo sfruttano bande per la trasmissione radio libere, ovvero non destinate dagliorgani regolatori regionali ad utilizzi che richiedano una licenza. Tali frequenze possono variare tra le diverse regioni pertanto occorre considerare le direttive alle quali è sottoposta l’area di interesse per la realizzazione della rete.

In Europa l’ETSI, “European Telecommunications Standards Institute”, e il CEPT, “European Conference of Postal and Telecommunications Administrations”, hanno definito quali frequenze possono essere utilizzate e quali parametri occorrerispettare.

A seconda della banda utilizzata è necessario rispettare un limite di potenza e di duty cycle. Quest’ultimo parametro si definisce come:

Dove DC è il duty cycle, Ton è il tempo in cui si utilizza la banda per trasmettere e Toff è l’intervallo di tempo in cui il dispositivo non è attivo. Imporre vincoli stringenti su tale grandezza è molto importante poiché è l’unico modo perregolamentare le bande “unlicensed”. Infatti, occorre impedire che i trasmettitori occupino troppo a lungo il mezzo comune, l’etere, rendendolo inutilizzabile a causa dell’insorgere di interferenze tra le diverse trasmissioni. Viceversa,l’effetto negativo di avere DC ridotti è la diminuzione del data rate complessivo delle comunicazioni.

Si riportano di seguito le bande di trasmissione stabilite da ETSI e i relativi duty cycle imposti per l’utilizzo dellefrequenze impiegate più comunemente dalle tecnologie unlicensed.

Tabella 2 – Bande di trasmissione e ricezione stabilite dall’ETSI in [12]. Evidenziate in rosso le bande utilizzate dalle tecnologie LPWANs in Europa.

Tabella 3 – Duty cycle imposti dall’ETSI alle bande di trasmissione maggiormente impiegate dalle LPWANs “unlicensed spectrum”.

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