Tecnologie LPWAN: Qual è la migliore per la vostra applicazione IoT?

In questo articolo parleremo di come scegliere un Rete geografica a bassa potenza (LPWAN) per un'applicazione massiccia dell'Internet degli oggetti (IoT). Le reti IoT LPWAN stanno diventando popolari grazie al loro funzionamento a lungo raggio e al loro basso costo. A questo scopo, analizzeremo brevemente i motivi della LPWAN e la sua popolarità emergente. Quindi, confronteremo brevemente le principali tecnologie LPWAN in base alle loro specifiche e applicazioni. 

Perché LPWAN è popolare? 

La LPWAN è diventata popolare con l'avanzamento delle applicazioni IoT massive che si estendono a lungo raggio. Tuttavia, non è solo il lungo raggio di funzionamento a determinare la popolarità di LPWAN, ma ci sono anche altre ragioni. Le ragioni principali dell'emergere della LPWAN possono essere identificate come segue: 

• Protocolli come ZigBee e BLE non sono in grado di supportare operazioni a lungo raggio. 
• Communicazione a lungo raggio su base cellulare, come ad es. 4G-LTE e 3G consumano un'energia eccessiva nonostante la loro buona copertura 
• L'implementazione della communicazione a lungo raggio è stata relativamente costosa.

Per questi motivi sono nate le tecnologie LPWAN, che hanno un'ampia copertura su un lungo raggio, consumano poca energia e hanno un costo ridotto per i dispositivi. Questi fattori sono stati fondamentali per la realizzazione di applicazioni IoT di massa, come le Smart City e l'agricoltura intelligente. Inoltre, si stima che sempre più applicazioni IoT basate su LPWAN appariranno nel settore industriale, dove 1 su 4 Applicazioni IoT industriali (IIoT) saranno basate su LPWAN entro il 2025.  

Di conseguenza, possiamo notare che il lungo raggio di funzionamento, che può arrivare fino a 15 km in un ambiente rurale, il basso consumo energetico, che porta a una durata di vita del dispositivo fino a 10 anni, e la bassa complessità del dispositivo, che porta a un costo ridotto, sono le principali forze trainanti della popolarità delle applicazioni IoT basate su LPWAN. 

Confronto tecnico tra le diverse opzioni LPWAN 

 Prima di esaminare le diverse opzioni LPWAN, possiamo dividere le tecnologie LPWAN in due categorie distinte, ovvero: 

• LPWAN con licenza: si tratta di tecnologie LPWAN basate sullo spettro delle frequenze cellulari pubbliche. Esempi di LPWAN con licenza sono; NB-IoT e LTE-M. 
• LPWAN senza licenza: si tratta di tecnologie LPAN basate su spettro di frequenza non licenziato. Esempi di LPWAN senza licenza sono; LoRaWAN e Sigfox. 

La scelta tra LPWAN con o senza licenza dipende dai requisiti dell'applicazione IoT, come l'affidabilità, la sicurezza e la mobilità prevista dell'intero sistema. Avendo una conoscenza di base dei diversi tipi di tecnologie LPWAN, analizziamo ora alcune tecnologie LPWAN. 

LoRaWAN è un'opzione LPWAN famosa e in ascesa, che facilita il funzionamento a lungo raggio dei dispositivi alimentati a batteria. Una caratteristica interessante di Dispositivi LoRaWAN è la loro minore complessità, che si traduce in costi inferiori per i dispositivi. Si basa su uno spettro di frequenze senza licenza ed è in grado di garantire una comunicazione bidirezionale, con una buona immunità alle interferenze. La possibilità di sviluppare reti private fa sì che LoRaWAN si distingua dalle altre opzioni LPWAN che prenderemo in considerazione più avanti in questo articolo. 

Sigfox è una tecnologia a banda stretta sviluppata da una startup francese che si adatta meglio alle applicazioni a bassa larghezza di banda con maggiore attenzione al consumo energetico. Come LoRaWAN, Sigfox opera in uno spettro di frequenze senza licenza, ma ha una capacità di comunicazione bidirezionale limitata rispetto a LoRaWAN. Infine, Sigfox è stato adattato alle applicazioni IoT in Nord America e in Europa e si sta attualmente espandendo in regioni come l'Asia. 

NB-IoT, invece, è una LPWAN con licenza, che opera nello spettro di frequenza cellulare. Può essere considerata la risposta dei fornitori di reti cellulari all'emergere delle applicazioni IoT. È stata sviluppata sulla rete cellulare esistente per consentire applicazioni IoT a bassa larghezza di banda, copertura profonda ed elevata efficienza spettrale. Analogamente, anche l'LTE-M si basa sullo spettro di frequenza cellulare autorizzato. Rispetto all'NB-IoT, l'LTE-M offre una maggiore larghezza di banda e un'elevata sicurezza. 

Opzione LPWAN basata sulle caratteristiche IoT 

Confrontiamo ora le opzioni LPWAN in base ad alcune caratteristiche critiche dell'IoT, importanti per le nostre applicazioni IoT. Questi sono alcuni dei requisiti principali di molte applicazioni IoT in generale.  

• Qualità del servizio: La qualità del servizio (QoS) si riferisce all'elevata ricezione dei dati con una buona immunità alle interferenze dovute a fattori esterni e alla capacità di soddisfare diversi livelli di requisiti di dati degli utenti finali. LoRaWAN e Sigfox possono gestire le interferenze in ambienti rumorosi, ma utilizzano protocolli di communicazione asincroni. D'altra parte, NB-IoT impiega protocolli di communicazione sincroni basati su LTE, aumentando così la sua disponibilità e ottimizzando i servizi QoS. Tuttavia, questo comporta un costo di implementazione. Pertanto, per le applicazioni IoT che richiedono una QoS ottimale, NB-IoT è l'opzione migliore. 

•  Mobilità: Si riferisce alla capacità di trasmettere dati a nodi finali in movimento ad alta velocità in una rete. LoRaWAN e Sigfox, pur essendo in grado di communicare a lungo raggio, non sono in grado di effettuare procedure di handover, cosa che invece è intrinsecamente possibile in NB-IoT e LTE-M grazie all'uso dello spettro di frequenza cellulare e dell'infrastruttura cellulare esistente. 

• Costo: Il costo è un fattore importante da considerare quando si sviluppano applicazioni IoT. Nelle applicazioni IoT massive, questo fattore può essere valutato in tre componenti principali, ovvero: 
  1. Costo dello spettro 
  2. Costo di implementazione 
  3. Costo del dispositivo 

In termini di costi di spettro, naturalmente sia LoRaWAN che Sigfox non hanno costi di spettro aggiuntivi in quanto utilizzano lo spettro di frequenza senza licenza liberamente disponibile. Tuttavia, sia NB-IoT che LTE-M utilizzano lo spettro di frequenza con licenza e quindi richiedono un costo per l'acquisto dello spettro di frequenza dall'operatore di rete o dalla regolamentazione di rete di quella regione. Ancora una volta, in termini di costi di implementazione, LoRaWAN e Sigfox hanno un costo di implementazione basso rispetto a NB-IoT e LTE-M. Sigfox avrebbe il costo del dispositivo più basso rispetto a LoRaWAN, mentre il costo del dispositivo per NB-IoT può essere superiore a $10 di portata. 

• Durata della batteria: Tutte le tecnologie LPWAN sono in stato di inattività quando non trasmettono dati sulla rete. Tuttavia, tecnologie come NB-IoT utilizzano protocolli di communicazione sincrona che richiedono energia aggiuntiva per l'inizializzazione della communicazione. Pertanto, i dispositivi Sigfox e LoRaWAN di Classe A sono le opzioni migliori per le applicazioni che richiedono una buona durata della batteria e buone prestazioni. 

• Raggio d'azione: LoRaWAN avrebbe una distanza minima di 12-14 km con funzionamento LOS, mentre Sigfox avrebbe una portata di 15-17 km. Tuttavia, NB-IoT avrebbe una portata di 20-22 km grazie all'utilizzo dell'infrastruttura cellulare esistente. LTE-M, invece, avrebbe una portata limitata dalla copertura 4G-LTE della regione. 

• Sicurezza: In termini di sicurezza della rete, LTE-M offre le migliori caratteristiche di sicurezza rispetto ad altre tecnologie LPWAN. 

Opzione LPWAN basata sull'applicazione IoT 

Sebbene i diversi fattori esaminati finora ci aiutino a determinare la fattibilità di una certa tecnologia LPWAN rispetto ad altre, è difficile prendere una decisione quando si tratta di una specifica applicazione IoT. Pertanto, vale la pena studiare le applicazioni IoT e determinare quale tecnologia LPWAN sia più adatta. 

• Misurazione elettrica 

La misurazione elettrica richiede velocità di trasmissione dei dati più elevate e buone prestazioni di latenza. Inoltre, per quanto riguarda la durata delle batterie, queste applicazioni possono essere collegate direttamente alla rete piuttosto che funzionare a batterie. Poiché LoRaWAN e Sigfox hanno latenze elevate e basse velocità di trasmissione dei dati, per realizzare questo tipo di applicazioni di misurazione elettrica possiamo affidarci a NB-IoT, più affidabile e con latenze più basse. 

• Agricoltura intelligente 

Nell'agricoltura intelligente, è necessario realizzare dispositivi alimentati a batteria che operino a lungo raggio. Inoltre, queste applicazioni devono essere accessibili alla maggior parte degli agricoltori e delle aziende agricole. Pertanto, il costo è un fattore critico. Considerando questi fattori, la nostra opzione immediata per queste applicazioni sarebbe LoRaWAN o Sigfox. 

• Edificio intelligente 

Tra questi, il monitoraggio della temperatura e dell'umidità dell'edificio e il monitoraggio di altri apparecchi intelligenti. Pertanto, non è necessario monitorare queste informazioni in modo continuo e i dispositivi sarebbero alimentati a batteria. Questo ci aiuta a restringere le opzioni solo a LoRaWAN e Sigfox per questo tipo di applicazioni IoT. 

• Industria manifatturiera e dell'automazione  

Ciò include il monitoraggio dei parametri vitali dei macchinari e il loro controllo accurato. Pertanto, per queste applicazioni sono necessari un monitoraggio frequente e una buona QoS. Per questo NB-IoT e LTE-M sono le opzioni migliori per soddisfare questi requisiti. L'LTE-M può essere utilizzato se ci si preoccupa maggiormente della sicurezza. 

Conclusione 

In questo articolo abbiamo discusso brevemente le diverse opzioni disponibili per realizzare applicazioni IoT massive. In conclusione, possiamo dire che l'opzione migliore è un compromesso dei nostri requisiti e varia a seconda delle applicazioni.