IoT: Strumenti per il confronto tra le tecnologie

Strumenti per il confronto tra le tecnologie

Le tecnologie LPWAN (Low Power Wide Area Network) rappresentano un elemento chiave per l’implementazione di una vasta gamma di applicazioni IoT, estendendosi su diversi settori industriali e urbani. La natura complementare di molte soluzioni LPWAN, unita alla loro eterogeneità, rende particolarmente complesso individuare un modello analitico univoco per la valutazione comparativa di costi, benefici e prestazioni. La selezione della tecnologia più idonea, così come la definizione di un business model sostenibile, richiede un’approfondita analisi del contesto operativo e dei relativi use case che impongono specifici vincoli funzionali e prestazionali.

Nel panorama attuale, non esiste un framework standardizzato o strumenti di benchmarking dedicati che consentano una valutazione sistematica delle performance delle reti LPWAN su ampia scala geografica. La mancanza di tool e testbed scientifici limita la possibilità di condurre misurazioni oggettive e ripetibili, costringendo gli operatori e i ricercatori a ricorrere a studi empirici basati su test in condizioni reali e su scenari applicativi concreti. In uno degli approcci sperimentali più avanzati, è stato progettato un dispositivo polifunzionale dotato di multiple interfacce radio, ciascuna corrispondente a una diversa tecnologia LPWAN, e posizionato strategicamente in vari punti del territorio per raccogliere dati comparativi.

L’analisi delle informazioni raccolte ha permesso di confrontare le tecnologie in termini di percentuale di pacchetti trasmessi correttamente, latenza nelle comunicazioni, efficienza energetica e ampiezza del raggio di copertura. Tuttavia, è fondamentale sottolineare che tali confronti mantengono validità esclusivamente a parità di contesto ambientale e operativo; qualsiasi variazione nelle condizioni di deployment può generare risultati significativamente differenti. Di conseguenza, la progettazione di applicazioni IoT deve necessariamente partire da una disamina accurata dei requisiti funzionali, come la tolleranza al ritardo (delay tolerance) o la necessità di risposta immediata (event-driven), che guidano la scelta della tecnologia più adeguata.

In particolare, per applicazioni di tipo event-based, dove un attuatore deve rispondere tempestivamente al verificarsi di un evento specifico, l’adozione di tecnologie caratterizzate da elevata latenza di trasmissione risulta impraticabile. Sebbene i produttori forniscano dati sulle prestazioni nominali dei propri sistemi, la reale efficacia in ambienti operativi complessi rimane difficilmente prevedibile a causa dell’assenza di strumenti di misurazione scientifica condivisi. Questa lacuna metodologica ostacola l’ingresso di nuovi attori nel mercato LPWAN e può generare incertezza negli investitori.

Sarebbe auspicabile che le entità regolatorie e le organizzazioni preposte alla governance dei settori applicativi mettessero a disposizione modelli analitici robusti e dati sperimentali derivanti da analisi contestuali, così da offrire parametri di riferimento affidabili e favorire una maggiore trasparenza e fiducia tra gli stakeholder. Questo approccio contribuirebbe a ridurre le barriere all’adozione delle soluzioni LPWAN, facilitando la crescita di ecosistemi IoT evoluti e la diffusione di applicazioni innovative in ambito smart city, industriale e ambientale.

Sicurezza e Privacy   

La protezione delle comunicazioni e la salvaguardia dell’integrità dei dati rappresentano pilastri imprescindibili per qualsiasi architettura di rete, con una rilevanza ancora maggiore nei sistemi wireless dove la trasmissione avviene su un mezzo condiviso e potenzialmente vulnerabile a intercettazioni e attacchi. Per garantire elevati standard di sicurezza, è essenziale implementare meccanismi avanzati di autenticazione, riservatezza e protezione della privacy che siano robusti e affidabili lungo tutto il ciclo di vita del dato. Nelle infrastrutture cellulari, tali esigenze vengono soddisfatte tramite protocolli collaudati e l’impiego delle Subscriber Identity Module (SIM), che facilitano la gestione sicura dell’identità e l’autenticazione degli endpoint, riducendo sensibilmente il rischio di accessi non autorizzati.

Al contrario, le tecnologie LPWAN (Low Power Wide Area Network), vincolate da stringenti requisiti di economicità e di ottimizzazione energetica, si trovano a operare con risorse computazionali limitate che impongono una semplificazione dei protocolli e, spesso, l’assenza di sistemi di autenticazione hardware quali le SIM. Questa situazione determina la necessità di sviluppare e adottare schemi crittografici e protocolli di sicurezza specificamente pensati per l’ambiente LPWAN, in grado di coniugare efficacia nella difesa contro le minacce informatiche e compatibilità con dispositivi a basso consumo.

Un ulteriore elemento di criticità deriva dal fatto che molti dispositivi LPWAN, una volta distribuiti sul campo, possono rimanere operativi senza supervisione diretta per lunghi periodi, aumentando così l’esposizione a possibili compromissioni. Si rende dunque indispensabile adottare strategie orientate alla minimizzazione del rischio, come la gestione sicura delle chiavi crittografiche e il monitoraggio remoto delle anomalie. Una funzione particolarmente strategica è rappresentata dalla possibilità di aggiornare il firmware dei dispositivi over-the-air (OTA), che consente di correggere tempestivamente vulnerabilità scoperte post-deployment; tuttavia, eventuali lacune nella sicurezza di questa procedura possono tradursi in vettori di attacco capaci di compromettere l’intera infrastruttura.

L’analisi delle principali tecnologie LPWAN evidenzia la presenza di vulnerabilità note: ad esempio, Sigfox non prevede cifratura del payload trasmesso, esponendo i dati a potenziali intercettazioni, mentre LoRaWAN risulta carente nell’implementazione della cifratura durante la fase di join iniziale alla rete, aprendo la porta ad attacchi di tipo man-in-the-middle. La maggior parte degli standard LPWAN si affida a schemi di crittografia simmetrica, dove la stessa chiave viene condivisa tra base station e dispositivo terminale, soluzione questa che, pur semplice e poco onerosa dal punto di vista computazionale, presenta limiti intrinseci in termini di scalabilità e gestione sicura delle chiavi.

Va sottolineato che il tema della sicurezza nelle reti LPWAN è oggetto di costante evoluzione e miglioramento: la sfida principale consiste nel bilanciare la necessità di disporre di sistemi resilienti agli attacchi con il vincolo di mantenere bassi consumi energetici e contenere la complessità hardware e software dei dispositivi. L’adozione progressiva di algoritmi crittografici più efficienti, la definizione di procedure standardizzate per l’aggiornamento remoto sicuro e la ricerca di soluzioni innovative per l’autenticazione leggera rappresentano le direttrici principali lungo cui si sta sviluppando la sicurezza di prossima generazione per le reti LPWAN, con l’obiettivo di offrire garanzie paragonabili a quelle delle reti cellulari pur mantenendo la sostenibilità in termini di costi e consumi.

Mobilità e Roaming

Il notevole successo delle infrastrutture cellulari è riconducibile principalmente alla loro intrinseca capacità di supportare la connessione dei dispositivi mobili a reti gestite da una pluralità di operatori, consentendo così una mobilità globale e una continuità di servizio su scala internazionale. Il roaming, inteso come la possibilità per un dispositivo mobile di trasferirsi agevolmente tra reti di operatori differenti, rappresenta una delle funzionalità cardine che ha permesso alle reti cellulari di affermarsi come standard de facto nelle comunicazioni mobili. Questo meccanismo si basa su un sofisticato sistema di autenticazione, sincronizzazione e gestione delle risorse, che garantisce la transizione trasparente del dispositivo da una cella all’altra e tra domini amministrativi distinti, mantenendo inalterata la qualità del servizio (QoS) e la sicurezza delle comunicazioni.

Viceversa, in molte delle tecnologie LPWAN (Low Power Wide Area Network), il concetto di roaming è stato spesso escluso in fase progettuale. Ad esempio, in architetture come Sigfox, i dispositivi terminali sono vincolati a una singola rete globale centralizzata, gestita da un unico operatore, precludendo di fatto la possibilità di handover tra domini diversi. In altri casi, come per alcune implementazioni LoRaWAN, la migrazione degli end device tra reti differenti non è prevista o risulta estremamente limitata, in quanto i dispositivi sono configurati per operare esclusivamente all’interno di un’infrastruttura proprietaria o localmente delimitata. Questa scelta architetturale deriva dalla necessità di massimizzare l’efficienza energetica dei terminali, i quali, per garantire una lunga autonomia operativa (spesso pluriennale), adottano strategie di duty cycle molto restrittive che limitano notevolmente le comunicazioni in downlink e minimizzano l’attività radio.

Implementare il roaming in ambiente LPWAN comporta sfide tecniche rilevanti, poiché richiede la presenza di meccanismi di sincronizzazione continua tra gli end device e le stazioni base, analogamente a quanto avviene nelle reti cellulari. Tuttavia, questa necessità si scontra con la filosofia di progettazione delle reti LPWAN, che privilegia l’invio sporadico di brevi messaggi in uplink e riduce al minimo il traffico in downlink per salvaguardare la durata delle batterie. Una potenziale soluzione potrebbe consistere nello sfruttamento intelligente dei dati trasmessi in uplink per gestire parzialmente le procedure di roaming, oppure nell’esternalizzazione della logica di handover ai sistemi di back-end, delegando la gestione della mobilità a livello applicativo piuttosto che di rete.

Oltre agli aspetti energetici e funzionali, permangono questioni aperte legate all’agilità del processo di roaming, alla fatturazione incrociata tra operatori, alla ripartizione dei ricavi e alla gestione dei diritti d’accesso. Queste problematiche, già complesse nel contesto delle reti cellulari, risultano ancor più articolate nelle LPWAN, dove la presenza di differenti regolamentazioni a livello continentale impone l’uso di bande di frequenza distinte. Tale frammentazione normativa rende quasi impraticabile la configurazione di un dispositivo in una regione geografica e il suo funzionamento in un’altra, ostacolando di fatto la realizzazione di un vero roaming internazionale.

Per poter abilitare il roaming globale, i dispositivi dovrebbero essere dotati di funzionalità avanzate per il riconoscimento automatico del contesto geografico e per l’adattamento dinamico dei parametri di trasmissione, capacità che mal si conciliano con l’obiettivo di mantenere hardware e firmware estremamente semplificati e a basso consumo. La questione della mobilità, pertanto, si intreccia con quella dell’interoperabilità tra tecnologie eterogenee: affinché un dispositivo possa realmente essere definito mobile, deve essere in grado di instaurare comunicazioni con reti appartenenti a operatori e tecnologie differenti. Finché non saranno definiti e adottati standard aperti e condivisi per l’interoperabilità dei protocolli e la gestione dei processi di handover, la prospettiva di una mobilità universale per i dispositivi LPWAN rimarrà relegata a un ambito sperimentale e di difficile implementazione su vasta scala.

Service Level Agreements

L’abilità di assicurare un determinato livello di Quality of Service (QoS) costituisce un elemento strategico che può conferire un importante vantaggio competitivo agli operatori che forniscono servizi LPWAN. In particolare, per quei provider che utilizzano bande di frequenza soggette a licenza, la gestione delle risorse radio è semplificata dal controllo esclusivo dello spettro, permettendo così una più agevole implementazione di meccanismi di prioritizzazione e controllo del traffico, con conseguente maggiore affidabilità nella consegna dei pacchetti e una migliore prevedibilità delle prestazioni offerte agli utenti finali.

Al contrario, quando il servizio viene erogato sfruttando lo spettro radio non licenziato, come le bande ISM, la situazione si complica notevolmente. Gli operatori si trovano infatti a dover rispettare una serie di stringenti vincoli normativi, tra cui limitazioni sulla potenza di trasmissione, sul duty cycle e sulle modalità di accesso al canale, che risultano imposte per minimizzare le interferenze e garantire la coesistenza tra molteplici servizi. Tuttavia, il carattere condiviso dello spettro non licenziato espone le comunicazioni LPWAN a livelli imprevedibili di interferenza provenienti da dispositivi e tecnologie eterogenee che operano sulla stessa banda, rendendo estremamente complesso assicurare parametri di QoS stabili e affidabili.

Garantire performance assimilabili a quelle delle reti carrier-grade in ambienti radio condivisi da una moltitudine di dispositivi che trasmettono in modo asincrono e non coordinato rappresenta una sfida tecnologica di primo piano. La presenza di elevate densità di nodi, traffico imprevedibile e fonti di disturbo esterne può compromettere significativamente la latenza, la perdita di pacchetti e la disponibilità del servizio. In tale scenario, risulta prevedibile che i Service Level Agreement (SLA) sottoscritti tra provider e utenti finali siano caratterizzati da clausole meno stringenti rispetto a quelle tipiche delle reti cellulari, poiché la possibilità di incorrere in violazioni degli SLA a causa di fattori esogeni e non controllabili dagli operatori di rete è concreta e difficilmente eliminabile.

Di conseguenza, la ricerca si sta orientando verso lo studio di ambienti ad alta interferenza e di scenari operativi particolarmente rumorosi, al fine di individuare metriche di QoS più flessibili e modelli predittivi che permettano di offrire garanzie di servizio “best effort”, comunque adeguate per un’ampia gamma di applicazioni IoT. L’analisi approfondita di tali contesti potrebbe portare allo sviluppo di tecniche di adattamento dinamico dei parametri di trasmissione o di strategie di ridondanza che consentano di mitigare l’impatto delle interferenze e di fornire livelli di servizio commisurati alle esigenze applicative, pur in presenza di condizioni radio non ottimali.

Coesistenza delle tecnologie LPWAN con altri standards wireless

Le tecnologie LPWAN (Low Power Wide Area Network) sono state concepite per colmare il divario prestazionale e funzionale non coperto né dalle reti cellulari tradizionali né dalle LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network). I criteri progettuali che hanno guidato lo sviluppo delle LPWAN sono sostanzialmente differenti rispetto a quelli adottati nelle reti cellulari, rispecchiando la diversità dei requisiti di progetto e delle tipologie di applicazioni target. Ad esempio, mentre le reti cellulari sono ottimizzate per garantire elevata capacità di banda, bassa latenza e ampia copertura, le LPWAN puntano principalmente su consumi energetici estremamente ridotti, costi di implementazione contenuti e semplicità di gestione, assecondando la necessità di supportare una moltitudine di dispositivi IoT con traffico dati molto basso e comunicazioni sporadiche.

Nonostante queste differenze, sia le reti cellulari sia le LPWAN presentano vantaggi specifici che, se opportunamente combinati, possono offrire soluzioni ottimizzate per scenari applicativi complessi. In particolare, l’integrazione delle funzionalità di entrambe le tecnologie consente di realizzare architetture di rete ibride in grado di massimizzare l’efficienza operativa, la resilienza e la scalabilità. Esistono numerosi casi d’uso in cui la cooperazione tra LPWAN e reti cellulari risulta strategica. Secondo la specifica ETSI LTN (Low Throughput Networks), è possibile individuare diversi scenari in cui l’associazione tra le due infrastrutture può apportare significativi benefici operativi.

Ad esempio, in situazioni di indisponibilità temporanea della connettività cellulare, l’interfaccia LPWAN può essere configurata come canale di backup (failover), garantendo così la trasmissione dei dati essenziali o critici anche in condizioni di fault della rete primaria. Un altro possibile ambito di sinergia riguarda la gestione delle procedure di keep alive: il polling continuo tipico delle reti cellulari, che comporta un notevole dispendio energetico, può essere delegato alle LPWAN, sfruttando la loro maggiore efficienza energetica per mantenere la sessione attiva minimizzando il consumo delle batterie.

Le LPWAN possono inoltre essere impiegate come supporto per la creazione di percorsi di routing alternativi tra dispositivi operanti in rete cellulare, soprattutto in contesti dove la copertura della rete mobile risulta discontinua o assente. In tali circostanze, la costruzione di un routing multi-hop tramite nodi LPWAN permette di raggiungere la stazione base anche in aree marginali, incrementando l’affidabilità e la robustezza della comunicazione. Un ulteriore scenario applicativo riguarda la funzione di discovery e identificazione di dispositivi in prossimità, che può essere facilitata dalle capacità di copertura estesa delle LPWAN.

Questi modelli di coesistenza e integrazione risultano particolarmente interessanti per applicazioni mission-critical e di pubblica sicurezza, dove la disponibilità di più tecnologie di comunicazione consente di incrementare la continuità e la sicurezza delle trasmissioni, garantendo una maggiore tolleranza ai guasti e una copertura più capillare.

Va comunque sottolineato che, essendo le LPWAN progettate per trasmettere brevi messaggi a basso data rate, il loro impiego è solitamente circoscritto a scambi informativi di dimensioni ridotte. Tuttavia, in determinati contesti applicativi, può emergere l’esigenza di trasferire volumi di dati maggiori o di operare con throughput elevati; in questi casi, l’interfacciamento con reti cellulari ad alta capacità permette di superare le limitazioni intrinseche delle LPWAN, abilitando flussi di dati più consistenti e ampliando la gamma di servizi erogabili dal sistema ibrido.

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