Low Power Wide Area Networks nell’IoT

Report

by Marcello Marino, IOT Business Development Manager, Unidata

Non ci sono dubbi sul ruolo che la tecnologia 5G avrà sulle società del futuro. La sua bassa latenza insieme alla sua elevata larghezza di banda, abiliteranno un incredibile numero di applicazioni IoT. Ma vi sono numerosi scenari per i quali l’uso del 5G sarebbe come sparare ad una formica con un cannone.

Le tecnologie LPWAN rappresentano oggi uno dei motori più efficienti per la crescita dell’IoT, e la loro sostenibilità economica ne amplificherà la portata anche domani.

Cosa sono

LoRaWAN, Sigfox e NB-IoT sono le tre tecnologie di trasmissione radio, leader in ambito LPWAN (Low Power Wide Area Networks), che oggi si contendono lo sviluppo su larga scala dell’IoT in applicazioni che richiedono un ampio raggio di copertura, una contenuta quantità di dati da trasmettere e un basso consumo di energia.

Come funzionano

La capacità di trasmettere dati a distanza di 10-40 km in zone rurali e 1-5 km in zone urbane le fa preferire alle tecnologie radio a corto raggio (come per esempio Bluetooth, ZigBee, WiFi, ecc.) in tutti gli scenari che richiedono distanze di trasmissione elevate. Ma questa caratteristica consente di tenere bassi i costi di comunicazione anche sul corto raggio. Soluzioni basate sulle comunicazioni cellulari (2G, 3G, 4G) forniscono anch’esse un ampio raggio di copertura, ma consumano rapidamente l’energia dei dispositivi da cui recuperare i dati. Non a caso, quindi, le reti LPWAN vengono considerate le reti ideali per molte applicazioni IoT.

Come vengono impiegate nell’IoT

Tra le tante applicazioni, lo Smart Metering è quella che meglio chiarisce il motivo per cui sono nate le tecnologie LPWAN. I contatori dell’acqua, per esempio, sono poco raggiungibili dalle tecnologie tradizionali e, resi intelligenti tramite l’applicazione di un modulo radio, trasmettono pochi dati, richiedono una durata della batteria di almeno dieci anni e sono numerosi e disseminati su un territorio molto vasto. I contatori, quindi, trasmettono il dato di lettura dei consumi idrici di ciascuna utenza alla rete LPWAN che, tramite un sistema di backhauling (per esempio in fibra ottica), trasmette i dati in cloud per renderli fruibili all’utente finale.

Principali caratteristiche LoRaWan, Sigfox e NB-Iot

NB-IoT (Narrow Band IoT) opera su frequenze licenziate, è gestita dai noti operatori telefonici che hanno parzialmente realizzato la rete. Ha una capacità di trasmissione dati superiore, ma è decisamente più energivoro di LoRaWAN e Sigfox. Rimanendo all’esempio dello Smart Metering, per consentire alle batterie del modulo radio di durare oltre i dieci anni richiesti, questa tecnologia può trasmettere il dato di lettura con frequenza mensile.

Sigfox e LoRaWAN vengono spesso accomunate perchè operano entrambe su banda libera 868 MHz e hanno entrambe un’immunità alle interferenze che NB-IoT non ha, consentendo raggi di copertura che doppiano quelli del NB-IoT. Entrambe le tecnologie, inoltre, hanno consumi molto bassi, consentendo alle batterie dei contatori intelligenti di durare oltre i 10 anni richiesti anche con trasmissioni giornaliere. La tecnologia Sigfox, tuttavia, appartiene all’omonima azienda, mentre quella LoRaWAN è aperta ad un vasto e complesso ecosistema abilitato dalla LoRa Alliance. Appare, quindi, difficile pensare che Sigfox possa affermarsi in ambiti applicativi come Smart City o Smart Metering per i quali i committenti sono in maggioranza le PA locali o le Utility dell’acqua.

Nella tecnologia LoRaWAN la sicurezza del dato viene garantita da una doppia chiave di criptazione, quindi il dato viene trasmesso nativamente criptato già dal dispositivo periferico (sensore, contatore, attuatore, etc.). NB-IoT ha una criptazione LTE, mentre Sigfox ne è sprovvista.

  Sigfox LoRaWAN NB-IoT
Modulation BPSK CSS QPSK
Frequency Unlicensed ISM bands (868 MHz in Europe, 915 MHz in North America, and 433 MHz in Asia) Unlicensed ISM bands (868 MHz in Europe, 915 MHz in North America, and 433 MHz in Asia) Licensed LTE frequency bands
Bandwidth 100 Hz 250 kHz and 125 kHz 200 kHz
Maximum data rate 100 bps 50 kbps 200 kbps
Bidirectional Limited / Half-duplex Yes / Half-duplex Yes / Half-duplex
Maximum messages/day 140 (UL), 4 (DL) Unlimited Unlimited
Maximum payload length 12 bytes (UL), 8 bytes (DL) 243 bytes 1600 bytes
Range 10 km (urban), 40 km (rural) 5 km (urban), 20 km (rural) 1 km (urban), 10 km (rural)
Interference immunity Very high Very high Low
Authentication & encryption Not supported Yes (AES 128b) Yes (LTE encryption)
Adaptive data rate No Yes No
Handover End-devices do not join a single base station End-devices do not join a single base station End-devices join a single base station
Localization Yes (RSSI) Yes (TDOA) No (under specification)
Allow private network No Yes No
Standardization Sigfox company is collaborating with ETSI on the standardization of Sigfox-based network LoRa-Alliance 3GPP

Da <https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405959517302953>

Approfondimento su LoRaWan

I gateway della tecnologia LoRaWAN, che compongono la rete, non filtrano i dati raccolti. I gateway, quindi, mandano tutti i dati raccolti, sia quelli provenienti dai dispositivi periferici propri che alieni. Questa caratteristica è ovviamente presente anche in Sigfox, ma essendo monopolista, non si è posta il problema di introdurre gli strumenti di mitigazione che invece la tecnologia LoRaWAN presenta. Quest’ultima, infatti, possiede l’ADR (Adaptive Data Rate) e il Power Control che consentono di governare i dispositivi periferici riducendone la potenza di trasmissione in modo che gli stessi possano essere sentiti solo dal gateway più vicino, riducendo il traffico radio ed efficientando ulteriormente i consumi energetici dei dispositivi.

La caratteristica dei gateway LoRaWAN sta inoltre spingendo gli operatori a federarsi, evitando il moltiplicarsi di reti esistenti e abilitando modelli di business come quelli di revenue sharing, mandando così in soffitta l’ormai superato concetto di roaming.

Tornando all’esempio dello Smart Metering, le Utility dell’acqua considerano la tecnologia LoRaWAN come la tecnologia ideale non solo per la telelettura dei contatori ma anche per la telegestione e il telecontrollo della rete idrica. Ciò non soltanto per tutte le caratteristiche esposte, ma anche per la sostenibilità economica consentita da questa tecnologia e per la capacità di densificazione della rete. Sono sempre più numerosi i casi di Utility dell’acqua che hanno messo a disposizione i propri siti (torri piezometriche, vasche di raccolta, ecc.) per consentire ad operatori LoRaWAN la realizzazione della rete necessaria alla raccolta dei dati provenienti dai contatori dell’acqua dotati di modulo LoRaWAN, abbattendo così i costi di comunicazione. Per le Utility dell’acqua, con LoRaWAN, diventa possibile gestire e ridurre le perdite idriche (pari a circa il 40% dell’acqua immessa in rete), monitorare i principali parametri della rete acquedottistica attraverso controlli in tempo reale, nonché fornire dati giornalieri di consumo ai singoli utenti, in un’ottica di trasparenza e consapevolezza.

Avere una rete capace di raggiungere contatori posti sotto i tombini o nei cavedi e disseminati sul territorio, significa di fatto avere una rete potenzialmente utilizzabile anche per applicazioni Smart City come per esempio parcheggi intelligenti, illuminazione intelligente, analisi capillare della qualità dell’aria, raccolta rifiuti efficiente e tanto altro ancora. L’interconnessione tra i gestori dell’acqua e i comuni, fa delle Utility dell’acqua dei potenziali attori di primo piano in questo scenario. Si spiega facilmente, quindi, il loro interesse nel voler partecipare ai modelli di revenue sharing che consentirebbero loro l’accantonamento di somme insperate che potrebbero alimentare fondi destinati all’innovazione, innescando così un circolo virtuoso.

Problematiche di autorizzazione

Nei prossimi 10 anni, sono stati stimati investimenti per oltre 2 miliardi di euro da parte delle sole Utility dell’acqua per l’ammodernamento del parco contatori. L’Acquedotto Pugliese, che da solo serve oltre un milione di utenti, ha iniziato questi investimenti assegnando recentemente una gara da centomila contatori dotati sia della tecnologia LoRaWAN che Wireless M-Bus. Quest’ultima è una tecnologia che utilizza la stessa banda 868 MHz ma con un raggio di copertura molto limitato. È da considerarsi quindi come una tecnologia superata. Tuttavia, al momento, sembra che l’Acquedotto Pugliese si limiterà, alla lettura di questi contatori in “walk-by”, ossia con gli addetti che fisicamente si avvicineranno ai contatori, raccogliendo i dati da questi trasmessi in wireless M-Bus. Questa decisione, solo apparentemente insensata, è da ricondursi all’attuale stallo normativo che prevede per le tecnologie LPWAN che operano sulla banda 868 MHz, un regime autorizzativo provvisorio prorogabile con cadenza semestrale. Con un respiro temporale di sei mesi è impensabile che le Utility dell’acqua possano fare investimenti per la realizzazione della rete necessaria alla telelettura dei contatori, lasciando eventualmente agli operatori LoRaWAN l’onere del rischio.

All’attento lettore non sarà sfuggita la particolarità che, sebbene la tecnologia Wireless M-Bus operi sulla stessa banda 868 MHz ed abbia le stesse basse potenze di trasmissione della tecnologia LoRaWAN (ossia quelle di un comune telecomando apri-cancello), non è in alcun modo sottoposta ad alcun iter autorizzativo. Dopo oltre due anni di sperimentazioni LoRaWAN (durante i quali non sono stati rilevati problemi di nessun genere) ci troviamo, dunque, di fronte ad un paradosso tutto italiano che di fatto fa venir meno il rispetto del principio della neutralità tecnologica.

Ad oggi, nemmeno la lettera datata 2 Agosto 2019, mandata congiuntamente da diverse associazioni di categoria (Utilitalia, Aiip, Assoprovider, CFWA, ANIMA, ACISM) al Ministero dello Sviluppo Economico, ha prodotto l’auspicabile passaggio ad un iter autorizzativo permanente. Se da un lato, quindi, le Utility dell’acqua sono obbligate a cambiare i contatori ogni 10 anni per garantire la validità del dato misurato, dall’altro non sono nelle condizioni di implementare la tecnologia ideale per raggiungere il prezioso obiettivo del risparmio della risorsa idrica.

Applicazioni

Quanto esposto fino a questo momento ha visto come esempio esplicativo lo Smart Water Metering che rappresenta l’applicazione più significativa per le tecnologie LPWAN ed in particolare LoRaWAN. Ma vi sono numerose altre applicazioni che certamente non hanno bisogno di attendere l’arrivo della tecnologia 5G e che certamente potranno coesistere con essa anche in futuro.

La ripartizione dei consumi di acqua e calore nei condomini, il cosiddetto Sub-Metering, è l’applicazione immediatamente più vicina alla precedente. Una rete capace di raccogliere le letture dei contatori (di acqua o calore) e dei ripartitori di calore, in tempo reale, consente in modo semplice, comodo e immediato di contabilizzare i consumi, consentendo al singolo condomino di conoscere in tempo reale i propri consumi e abilitando una consapevolezza ad oggi sconosciuta. E tutto questo all’attuale costo di lettura annuale dei contatori dei singoli appartamenti.

Se la rete è capace di raggiungere i contatori dei singoli condomini, sarà certamente in grado di raggiungere la moltitudine dei dispositivi Smart Home / Smart Building presenti sul mercato e facilmente applicabili senza la necessità di acquistare centraline o concentratori tipicamente richiesti da altre tecnologie. In questo settore, tuttavia, occorre sottolineare che dispositivi periferici come le webcam per il video-monitoraggio remoto o l’uso frequente di attuatori, non ricadono tra i casi d’uso idonei per le tecnologie LPWAN, trattandosi di grandi dati da trasmettere con bassa latenza. Forse anche per questo sul mercato registriamo il lancio di gateway che integrano la tecnologia LoRaWAN con il 5G.

Azzerare i tempi per la ricerca di un posto auto libero è uno degli elementi caratterizzanti le città intelligenti. Sebbene vi siano molti modi possibili per realizzare lo Smart Parking, la presenza di una rete LPWAN ne abilita una semplice ed economica realizzazione.

Gli stessi sensori di parcheggio, necessari per le applicazioni di Smart Parking, possono essere utilizzati per l’analisi dei flussi di traffico. Quest’applicazione tipicamente Smart City, insieme alla sopracitata analisi della qualità dell’aria (ottenibile con la distribuzione capillare di centraline grandi quanto una scatola di scarpe e installabili sui pali della luce), consentirebbero l’implementazione di meccanismi di regolamentazione del traffico in presenza di superamento dei limiti di polveri sottili nelle città.

A proposito di pali della luce, lo Smart Lighting, elaborato in passato in numerose modalità e tecnologie, sarebbe estremamente semplice ed economico da applicare in presenza di una rete LPWAN. Il risparmio energetico che ne deriva offre un ritorno sull’investimento che in alcuni casi può essere perfino di poche settimane.

Nell’ambito della raccolta differenziata intelligente, quello degli olii esausti è il più significativo. Sapere quando un bidone di raccolta sta per riempirsi consente l’ottimizzazione della raccolta stessa, minimizzando il numero dei viaggi necessari per il carico-scarico dei contenitori con evidenti benefici economici, ma anche di traffico e decoro urbano.

Il tracking di mezzi, cose, animali o persone (resosi necessario in tempi di Corona Virus), in presenza di una rete LPWAN, è possibile anche senza l’uso degli smartphone.

Il fascino dell’IoT è che solo la fantasia è il vero limite alle applicazioni possibili. In Italia, purtroppo, vi si aggiunge quello normativo.