IoT: Low Power Wide Area Network

Introduzione

I requisiti fondamentali che hanno guidato la progettazione delle reti LP- WAN sono: trasmissioni a lungo raggionell’ordine dei chilometri, basso data rate inferiore a 5000 bits per secondo, basso consumo energetico da parte deidispositivi che si riflette sulla durata delle batterie dai 5 ai 10 anni, capacita` di gestire le connessioni di migliaia didispositivi contemporaneamente.

Nel corso di questo appuntamento, verranno approfonditi i seguenti aspetti delle reti LPWAN:

• Trasmissione a lungo raggio
• Efficienza energetica
• Basso costo di produzione dei dispositivi
• Scalabilità
• Quality of Service

Trasmissione a lungo raggio

Le trasmissioni radio possono essere a corto raggio quando operano su distanze nell’ordine dei metri, oppure a lungo raggio quando si arriva sull’or dine dei chilometri. I parametri che determinano la distanza della copertura di segnalesono: la potenza trasmissiva, la banda di frequenza, la tecnica di modulazione del segnale, trasmissionenarrowband o spread spectrum.

Molte tecnologie wireless LPWAN utilizzano bande di frequenze inferiori ad 1 GHz, conosciute come frequenze Sub-Ghz. Questo spettro di frequenze offre trasmissioni robuste e affidabili con un basso link budget.

La frequenza dei 2.4 GHZ risente dei problemi di attenuazione del segnale dopo brevi distanze, del multipath fading causato dagli ostacoli, e dalla scarsa capacit`a di oltrepassare gli ostacoli. Inoltre, la banda di frequenza dei 2.4 GHz `e congestionata dalla presenza di innumerevoli tecnologie wireless quali Wi-Fi, telefoni cordless, Bluetooth, Zigbee che possono creare livelli di interferenza.

Nonostante questi aspetti, alcune tecnologie LPWAN utilizzano la banda dei 2.4 GHz. Tuttavia, l’utilizzo di bande Sub-GHz offre nettamente performance migliori sulle lunghe distanze. Per le tecnologie LPWAN il link budget si attesta sui 150 ± 10dBm che garantisce copertura nel raggio di qualche chilometro in ambito cittadino e fino a 10 chilometri in ambito rurale.

Per permettere al ricevitore di decodificare informazioni anche in presenza di forte attenuazione del segnale, il livello fisico dello stack deve effettuare un compromesso tra bit rate e rallentamento della velocit`a di modulazione cos`ı dadisporre di piu` energia per ogni bit inviato.

Le tecnologie LPWAN hanno una soglia di sensitivit`a che raggiunge i -130 dBm. Le trasmissioni narrowband decodificano il segnale trasmesso su una porzione di spettro molto stretta. Assegnando ad ogni canale una banda stretta, tipicamente meno di 25 MHz, `e possibile ottenere molti canali che condividono lo  stesso spettro. Il vantaggioottenuto `e che il livello di rumore su singolo canale `e minimo, ed inoltre il ricevitore non deve svolgere alcun compitoaggiuntivo per decodifi care l’informazione, rendendo semplice e poco costoso il design. NB-IoT and Weightless-P sono esempi di tecnologie che usano la tecnica narrowband, mentre esistono altre tecnologie che utilizzano canali ancora piu`stretti intorno ai 100Hz e vengono identificate come Ultra narrowband (UNB). In questo modo si riduce ulteriormente ilrumore ed `e possibile incrementare il numero di dispositivi in grado di trasmettere sulla stessa banda. Sebbene ildata rate effettivo per singolo dispositivo diminuisce, aumenta il tempo in cui il ricevitore radio deve essere acceso. Il basso data rate, in combinazione con la regolamentazione per l’accesso condiviso allo  spettro  di  frequenza, pu`o  avere ripercussioni sulla dimensione massima dei pacchetti e sulla frequenza di invio degli stessi, limitando i possibili casi applicativi. Alcuni esempi di tecnologie che usano UNB sono SigFox, Weightless-N, Telensa.

Le tecniche di trasmissione spread spectrum aumentano l’occupazione di banda del segnale a parit`a di energiaimpiegata (ampiezza fissa). In questo modo,  senza variare il contenuto energetico (elemento cruciale nelle LPWAN), `epossibile migliorare il rapporto tra segnale/rumore eliminando il maggior numero di interferenze possibili. Questoconsente l’utilizzo contemporaneo della stessa gamma di frequenze a piu` dispositivi ottenendo un miglioramento nellagestione dello spettro.

Uno scopo secondario della tecnica spread spectrum, utilizzato soprattutto in ambito militare, è  quello di minimizzare ilsegnale radio trasmesso abbassando la potenza specifica e portandolo a confondersi con il rumore radio di fondo in modo da sfuggire al rilevamento da parte delle stazioni di intercettazione radio.

Efficienza energetica

L’efficienza energetica `e un aspetto cruciale per il funzionamento delle applicazioni IoT. I dispositivi, una volta configurati e posizionati, devono svolgere il loro compito per il maggior tempo possibile senza intervento umano. Questo aspetto `efondamentale se si vogliono contenere i costi di gestione del servizio.

La  maggior  parte  dei  dispositivi `e  alimentato  da  batteria,  pertanto la manutenzione per la sostituzione o ricarica deve essere ridotta al minimo. Si stima che, per mantenere i costi di gestione bassi, `e necessario che la vita delle batterie debba durare dai 5 ai 10 anni.

Per poter avere una maggiore efficienza energetica `e possibile adottare diverse misure a livello di infrastruttura,complessit`a, frequenza di invio dei dati e politiche  di  accesso al mezzo trasmissivo.

La topologia della rete ha influenza sul consumo energetico. Le reti mesh vengono impiegate per estendere la copertura di segnale delle reti wireless che usano tecnologie con trasmissioni a breve o medio raggio. Il consumoenergetico dei dispositivi è maggiore rispetto ad una topologia a stella. Il motivo deriva dal fatto che mentre nelle topologie a stella c’`e un solo nodo in grado di instradare il traffico, nelle reti mesh possono esserci piu` dispositivi con ilruolo di router. Questi ultimi devono essere sempre accesi ed in ascolto del canale. In alcuni casi, i routers, potrebberoessere congestionati con un ulteriore aggravio del consumo energetico. Inoltre, l’uso di una topologia a stella per la copertura di una vasta area geografica implica una minore densit`a di dispositivi da utilizzare, che fa abbassareulteriormente i costi di gestione ed il livello di interferenza. Per poter ottenere un maggiore risparmio energetico `epossibile spegnere il ricevitore radio quando non c’`e necessit`a  di trasmissione o ricezione. Gli end device, non dovendo gestire l’instradamento dei pacchetti provenienti dagli altri nodi, attivano il trasmettitore radio solo quando necessario.

Il meccanismo del duty cycle `e subordinato ai requisiti dell’applicazione. Il device pu`o svegliarsi solo all’occorrenzase deve fare delle trasmissioni periodiche in uplink. Diverso `e il caso per le trasmissioni in downlink, in cui sononecessari meccanismi di sincronizzazione tra end device e gateway se si vuole che il dispositivo si attivi a intervallischedulati. Il modo piu` semplice per gestire la ricezione in downlink `e quello di  aprire una  finestra in  ascolto dopo una comunicazione in uplink.

I dispositivi alimentati da rete elettrica possono essere costantemente in ascolto del canale per ricevere informazioniriducendo anche la latenza delle comunicazioni. Il duty cycle non `e solo una tecnica di risparmio energetico ma anche un vincolo normativo che dipende dalle legislazioni nazionali che regolamentano l’accesso ad uno spettro con banda condivisa evitando che una singola stazione radio monopolizzi il canale. Per una maggiore efficienza energetica i dispositivi vengono progettati in maniera modulare in modo che `e possibile spegnere la singola componente quandonon utilizzata, quindi applicando il concetto di duty cycle non solo al ricevitore radio ma anche alle altre componentihardware.

Il livello MAC utilizzato sia nelle reti cellulari che nelle LR-WPAN è troppo sofisticato per poter essere impiegato nelle reti LPWAN. Il fatto di avere un livello MAC piu` sofisticato permette di ottenere dei benefici che potrebbero essere nonnecessari per il contesto applicativo delle LPWAN. Nelle  reti cellulari, ad esempio, esistono meccanismi abbastanzasofisticati per garantire a piu` stazioni radio di poter comunicare usando la stessa banda di frequenza.

Alcune tecniche quali TDMA (Time Division Multiple Access) e FDMA (Frequency Division Multiple Access) sonoabbastanza complesse e rendono il livello MAC piu` pesante. Questo si traduce in un grosso dispendio di energia dovuto alle continue sincronizzazioni tra il trasmettitore e ricevitore. Le tecniche di accesso multiplo al canale, TDMA e FDMA,operano rispettivamente nel dominio del tempo e delle frequenze. Esse fanno un uso esclusivo del canale dicomunicazione, garantendo un’alta qualit`a del servizio a discapito dei costi di gestione e di implementazione deidispositivi.

Per mantenere i costi di produzione bassi, molte tecnologie wireless come ad esempio Wi-Fi e Zigbee, usano CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access / Collision  Avoidance)  per  la  gestione  contesa  del  canale  da  parte  di  piu`  stazioniradio. L’idea alla base `e quella di ascoltare il canale e di aspettare per un tempo random prima di effettuare latrasmissione. In caso di collisione le stazioni radio coinvolte aumentano il tempo di attesa prima di ritrasmettere. Questa caratteristica ha forti ricadute sulle performance globali della rete.

La probabilit`a di collisione aumenta all’aumentare del numero di stazioni che vogliono trasmettere. Questo aspetto diverge dalle esigenze delle reti LPWAN che devono supportare il deploy di migliaia di dispositivi. Inoltre, per risolvere il problema del terminale nascosto e per garantire un accesso equo a tutte le stazioni radio si usano metodi di Request To Send e Clear To Send (RTS/CTS) che aggiungono molto overhead alle comunicazioni. Il problema del terminale nascosto si verifica quando il dispositivo che vuole trasmettere non rileva che il canale `e impegnato dalla trasmissione diun’altra stazione radio in quanto quest’ultima `e fuori dalla sua portata. La collisione pu`o sempre verificarsi al ricevitore,il quale pu`o trovarsi nel mezzo a piu` stazioni e quindi sentirle entrambe, ma  queste  ultime  potrebbero  non sentirsireciprocamente.

Per semplificare la complessit`a del livello MAC anzich`e usare le tecniche precedentemente descritte, moltetecnologie LPWAN usano il protocollo ALOHA che `e molto piu` semplice. L’algoritmo del protocollo aloha non prevede l’ascolto del canale, ma semplicemente aspettano un tempo random prima di trasmettere. Questo tipo di approccio ha come svantaggio che non `e esclusa la probabilit`a  di  collisione,  ma  data  la sua semplicit`a permette la realizzazione didispositivi meno sofisticati.

Per poter ulteriormente ottimizzare il consumo energetico `e possibile fare in modo che gli end device siano meno complessi possibile, spostando l’intelligenza sui sistemi di back-end. Spostare la complessit`a offre vantaggi sia dal punto di vista della comunicazione che dal punto di vista della computazione. Per quanto concerne la comunicazione nella topologia a stella la base station  `e un dispositivo piu` complesso in quanto in grado di ascoltare piu` trasmissionicontemporanee usando diversi canali o segnali ortogonali, ed anche il ruolo di gateway della rete. Questo permette all’end device di inviare dati su un qualsiasi canale disponibile e di poter raggiungere la base station senza usare trasmissioni particolarmente complesse per inizializzare la comunicazione. Il ruolo di coordinatore della rete pu`o esseresvolto sia dalla base station, che da un sistema di back-end. Il coordinatore della rete pu`o anche adottare meccanismitali per cui fornisce indicazioni all’end device su come poter modificare alcuni parametri relativi alle trasmissioni in mododa rendere piu` efficiente la comunicazione. Se il ruolo di coordinatore `e svolto dal sistema di back-end, esso pu`o anchegestire il roaming di un dispositivo da una rete ad un’altra. Questo permette di mantenere il design dell’end devicesemplice facendo abbassare i costi di produzione.

Dal punto di vista della computazione bisogna analizzare che esiste un trade-off che riguarda il data processing. Alcune applicazioni hanno come requisito che i dati raccolti dall’end device vengano inviati molto frequente- mente. In altre applicazioni, al contrario, i dati potrebbero essere trasmessi anche una sola  volta  al  giorno. Dal punto di vista delconsumo energetico `e piu` dispendiosa la trasmissione dei dati rispetto all’elaborazione. Il trade off del data processingriguarda l’invio di dati sottoposti ad una pre elaborazione oppure inviati raw. Questa valutazione va fatta in base ai requisiti applicativi. Se l’applicazione richiede trasmissioni molto frequenti,  allora  pu`o  avere senso trasmettere i dati senza alcuna elaborazione in modo da non dover gravare ulteriormente sul consumo energetico, mentre nel caso in cui la trasmissioni sono sporadiche `e meno costoso far fare elaborazioni all’end device. Il vantaggio di far elaborare i datiall’end device, `e che vengono inviati meno dati rispetto a quelli raw. L’invio di tanti dati con molta frequenza potrebberappresentare il caso pessimo sia dal punto di vista del consumo energetico che delle performance della rete. Non essendo possibile fare una stima assoluta si preferisce, in linea di massima, mantenere i costi di design dell’end device molto bassi specialmente in presenza di deploy con un vasto numero di nodi, cercando di far svolgere poca computazione al nodo. La valutazione pu`o essere fatta confrontando il costo di trasmissione dei dati rispetto al costo disostituzione delle batterie. Se, ad esempio, si utilizzano tariffe al consumo sulla base del volume di dati trasmessi, allora `e meglio  far  fare  elaborazioni all’end device e cercare di trasmettere meno dati possibile. Se invece il costo dellasostituzione delle batterie `e molto elevato, allora bisogna adottare una strategia conservativa che punti a massimizzare il risparmio energetico. La valutazione della scelta tra l’invio di dati raw o elaborati ricade sul businessmodel dell’applicazione.

Basso costo di produzione dei dispositivi

Il grande successo commerciale delle LPWAN `e dato dalla capacit`a di connettere un largo numero di end device purmantenendo i costi dell’hardware sotto i 5 dollari. Questa accessibilit`a permette alle LPWAN  non solo di coprire un vasto numero di applicazioni possibili, ma di poter competere anche nei domini applicativi in cui si collocano le tecnologie a breve raggio e le reti cellulari.

LPWAN offre diverse soluzioni per ridurre i costi di investimento (CAPEX) ed i costi di gestione (OPEX) sia per gliutenti finali che per gli operatori di rete. L’utilizzo di una topologia a stella, il MAC protocol semplificato, spostare lacomplessit`a sui sistemi di back-end sono tutte misure che portano alla riduzione dei costi di produzione degli enddevice. I tre fattori principali che influiscono sui costi di produzione sono: minore complessit`a dell’hardware grazie  all’usodi transceivers che  adottano  modulazioni radio semplici; topologia a stella che semplifica il deploy di migliaia didispositivi senza ricorrere alle reti mesh; utilizzo di bande di frequenza senza licenza che non comporta ulteriori oneri aggiuntivi. In questo ultimo caso, qualora venissero usate bande con licenza, `e possibile che i provider facciano accordi per condividere la banda in concessione ad altri operatori per evita- re costi aggiuntivi.

Questo approccio avviene soprattutto nelle reti cellulari. L’operatore pu`o scegliere se condividere la banda oppureoptare per soluzioni in cui acquista la banda disponibile ma riduce l’ampiezza di banda di ogni canale in modo dasostenere un numero maggiore di dispositivi connessi.

Scalabilità

Uno dei requisiti fondamentali delle LPWAN `e di poter supportare un elevato numero di nodi connessi anche sull’ordine delle migliaia.

Per quanto riguarda la scalabilit`a, i dispositivi devono poter lavorare correttamente anche quando aumentano di numero edi densit`a. La scalabilit`a dell’infrastruttura pu`o  essere ottenuta  con  diversi  metodi.

Per poter far comunicare il maggior numero possibile di dispositivi bisogna sfruttare la diversit`a di canali, tempo, spazio e hardware. Considerando che gli end device devono essere a basso consumo e poco complessi per loro natura, l’unico modo per massimizzare la diversit`a `e di spostare la complessit`a della trasmissione sulle base station o suisistemi di back-end.

Le tecnologie LPWAN impiegano piu` canali e piu` antenne per gestire in parallelo diverse trasmissioni da e verso gli enddevices. Inoltre il fatto di usare piu` canali rende le trasmissioni piu` affidabili e meno soggette a interferenze. Uno deiproblemi maggiori che affligge sia le reti cellulari che le reti LR-WPAN  `e la densit`a di dispositivi presenti su una certaarea. Maggiore `e la densit`a dei dispositivi e maggiore `e l’interferenza che questi possono avere l’uno con l’altro.

Nelle reti LPWAN pu`o anche esserci un problema di sovraccarico della  base  station. Nelle reti cellulari `e possibile coordinare l’accesso dei dispositivi alle varie celle in maniera efficiente, cosa non fattibile per molte reti LPWAN. Molti sistemi LPWAN ottimizzano non solo la scalabilit`a in termini di numero di dispositivi connessi ma anche il singolo collegamento con l’end device. Per poter ottenere prestazioni migliori in termini di efficienza energetica e affidabilit`a `e possibile adattare alcuni parametri relativi alla trasmissione, quali ad esempio lo schema di modulazione o il data rate, in maniera dinamica in base al contesto.  In questo modo, monitorando la qualit`a del link si possono coordinare gli end devices presenti all’interno della rete. Questo tipo di soluzione non `e sempre praticabile ed i parametri modificabilidifferiscono tra le varie tecnologie LPWAN.

Alcuni fattori, come l’asimmetria tra trasmissioni in uplink e downlink e il massimo duty cycle ammissibile, possono essere un ostacolo ai meccanismi di adattamento dinamico al contesto.

Il miglior modo per sfruttare la feature di adaptive data rate, si ottiene facendo in modo che sia la base station a fornire indicazioni all’end device su come regolare i parametri relativi alla trasmissione, in quanto l’end device non `e in gradodi fare valutazioni che gli permettono di migliorare la qualit`a delle trasmissioni. Una tecnica possibile, ad esempio,consiste nell’inviare dati ripetutamente su piu` canali scelti a caso e di valutare su quale canale la base station riceve la comunicazione migliore. Le tecniche di adaptive data rate tipicamente vengono svolte dalle base station o dai sistemi di back-end per mantenere i costi degli end device bassi.

Esiste un trade off tra la scalabilit`a della rete e l’uso di end device a basso costo. Molte soluzioni LPWAN pur di mantenere il requisito di basso consumo energetico, limitano l’uso delle risorse radio e permettono l’accesso alla rete in maniera non coordinata fissando un limite di numero massimo di dispositivi che possono agganciarsi. Esistono dei limitipratici alla scalabilit`a delle LPWAN.

Quality of Service

Le tecnologie LPWAN sono in grado di soddisfare i requisiti di innumere voli applicazioni. Uno degli aspetti piu` critici `eidentificare se l’applicazione `e delay-tolerant o meno. Nelle applicazioni come il monitoraggio ambientale non ci sonocriticit`a sui tempi di consegna dei dati, mentre lo diventa per i sistemi di sicurezza come gli allarmi. Tuttavia, la rete deve offrire una sorta di QoS per la stessa tipologia di tecnologia LPWAN.

Per poter quantificare la QoS di una rete LPWAN bisogna valutare le metriche relative a bandwidth, packet error rate,packet delay, delay jitter. Il packet delay `e una misura importante quando si ha a che fare con applicazioni delay-tolerant.Le attuali tecnologie LPWAN attualmente non garantiscono o hanno un limitato QoS.

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