Pro e Contro delle Implementazioni LPWAN per l’IoT

In questo momento, l'internet delle cose è come una battaglia di gladiatori nel colosseo tra le forze di mercato e l'opinione pubblica. Vengono scritte centinaia di classifiche su quali protocolli o stack utilizzare, quali prodotti dell'internet delle cose siano utili (o meno), e chi vincerà la fiorente battaglia nell'ecosistema dell'internet delle cose. Il bello è che ognuna di queste piccole battaglie rappresenta una decisione che dovrete prendere per il vostro prossimo progetto dell'internet delle cose. Fantastico, vero?

Per vostra fortuna, abbiamo già selezionato alcuni dei più potenti gladiatori dell’IoT; eccovi allora i low power, wide area network (LPWAN).

Un Altro Protocollo IoT? Cosa Dovrei Sapere?

Le LPWAN rappresentano una grande innovazione per le comunicazioni internet mobili. Ne abbiamo parlato di recente, ma sostanzialmente le applicazioni nell’IoT delle LPWAN offrono:

Consumi Contenuti

Sono così importanti da fare parte del nome. A differenza delle reti cellulari esistenti, le LPWAN hanno lo scopo di ridurre al minimo i consumi energetici di un sistema IoT. Questi dispositivi non necessitano di più di 10-25 mW per essere conformi alle bande di frequenza ISM. Ciò consente ai sensori o ai dispositivi remoti di funzionare per periodi di tempo estesi (idealmente, anni) senza dover nemmeno sostituire le batterie.

Ampia Copertura

Le LPWAN hanno una copertura che va da pochi chilometri nelle aree urbane fino a 15-30 nelle aree rurali dove non ci sono molte interferenze. Hanno una copertura molto più ampia rispetto ai sistemi a corto e medio raggio come Bluetooth o Wifi.

Larghezza di Banda Ridotta

Poiché la maggior parte dei dispositivi dell'internet delle cose inviano solo piccole quantità di dati, la ridotta larghezza della banda riduce i consumi elettrici. Gli LPWAN sono destinati ad applicazioni che inviano brevi messaggi solo poche volte all'ora, piuttosto che ad applicazioni pesanti come lo streaming video.

Basso Costo

La maggior parte degli LPWAN utilizza un modello ad abbonamento, che permette all'hardware (il chipset radio) di essere economico, mentre per ogni dispositivo connesso alla rete viene addebitato un canone annuale di abbonamento. Per ridurre i costi, molti utilizzano lo spettro privo di licenza sulle bande ISM (come 868 MHz in Europa e 915 MHz negli Stati Uniti).

Chi Usa LPWAN?

Per ora esistono pochi prodotti di consumo basati su LPWAN, che non sono ancora ampiamente utilizzati. Tuttavia, SigFox sta guadagnando slancio in Europa e l'IoT Central segnala un aumento del 6% nell'adozione rispetto all'anno scorso. Le applicazioni attuali sono per lo più industriali e si stanno orientando verso le "città intelligenti", dove i servizi pubblici sembrano trovare sempre più utilità.

Quali tipi di Rete Esistono?

Come ogni altra cosa nel mondo dell'IoT, ci sono un sacco di alternative e molte (troppe) opinioni da tenere in considerazione. Se siete interessati ad un confronto ancora più dettagliato, IoT For All ha un white paper alla fine di questo articolo che potrebbe esservi di interesse.

Gladiators fighting
 
LoRa e SigFox sono i  contendenti più grandi, ma ce ne sono anche altri più piccoli

I pesi massimi degli LPWAN sono LoRa e SigFox. Tuttavia, esistono anche delle alternative meno popolari, come Ingenue e Weightless che sono sicuramente degni di nota. Per cominciare, cerchiamo di esplorare ciò che i pesi massimi hanno da offrire.

LoRa

LoRa ha subito un forte slancio in Europa, dove sono già presenti diverse aree di copertura attualmente utilizzate. LoRa richiede l'uso di un chipset radio di Semtech, quindi non è uno standard aperto.

Pro:

  • Supporto e partner dell'industria, tra cui Cisco, IBM Microchip Technology, KPN, IMST, ed altri ancora.

  • Larghezza di banda superiore rispetto agli altri LPWAN

  • Sicurezza: autenticazione e crittografia AES CCM (128 bit)

Contro:

  • Non è uno standard libero

  • Potete usare solo dispositivi certificati da Semtech

  • Le reti private sono impossibili

  • Protocolli di validazione/acknowledgement ad alto tasso di errore

  • Capacità di downlink limitata

SigFox

Anche l'altro grande concorrente principale viene già utilizzato. SigFox gode inoltre di un forte supporto industriale da parte di partner come Texas Instruments, Silicon Labs e Axom.

Pro:

  • SigFox viene già utilizzato in Europa e a San Francisco

  • Non ci sono circuiti di ricezione, quindi viene consumata meno energia

  • Raggio di azione più ampio, a discapito di una modulazione più lenta, ideale quindi per applicazioni di misurazione

Contro:

  • Standard Chiuso

  • L'architettura degli Stati Uniti è diversa da quella utilizzata in Europa a causa della lunghezza di trasmissione imposta dalla FCC, per cui i test potrebbero non essere particolarmente affidabili.

  • Sicurezza Minima (Crottografia a 16 bit)

  • Nessuna comunicazione downlink

  • Soffre di interferenze FR

  • No downlink communication

  • Potential for higher RF interference

Ingenu

Ingenu è stato più lento ad essere commercializzato da SigFox o LoRa perché ha speso molto tempo per sviluppare l'intero stack tecnologico LPWAN. Ingenu è stato uno dei membri fondatori del gruppo di lavoro iEEE 802.15.4k, che si occupa del monitoraggio dei dati delle infrastrutture a bassa energia, infatti è un pezzo grosso per quanto riguarda le basi di questa tecnologia.

Pro:

  • Sviluppo dell'architettura con capacità di uplink e downlink superiori rispetto ad altri LPWAN.

  • Un budget di collegamento più elevato rispetto a LoRa o SigFox, fornendo però una maggiore e più solida copertura territoriale.

  • Compatibilità internazionale grazie alla frequenza a 2.4 Ghz

Contro:

  • Interferenza con le tecnologie WiFi e Bluetooth a causa dei 2.4 Ghz.

  • Durata della batteria più corta a causa di un consumo maggiore durante l’elaborazione del segnale

Weightless

Weightless è un altro LPWAN sotto 1 GHz, che opera nello spettro delle frequenze privo di licenza. Lo trovo degno di nota in quanto è l'unico standard aperto di questa categoria, e apprezzo il potenziale che offre per le nuove applicazioni. Ci sono tre standard, N, W e P. È possibile bilanciare i costi con la velocità e un'ampia gamma di funzioni per scegliere quella più adatta al proprio sistema.

Pro:

  • Opzioni per sensori a bassa velocità (N), o reti private a rateo adattivo (P)

  • Funzionalità uplink e downlink (P, W)

  • Una buona portata negli ambienti urbani (2-5 km)

  • Coesistenza con altre tecnologie RF con poca interferenza grazie ad un’avanzata demodulazione

Contro:

  • Lo spettro di frequenze usato dalle TV è richiesto da Weightless W

  • La durata della batteria varia dai 2 ai 10 anni, in base allo standard​

Altre Soluzioni meno Popolari

Esistono poi molte altre opzioni, che però sono tutt'ora poco utilizzate. Tra queste LTE-M, IEEE P802.11AH (un'opzione wifi a bassa potenza) e Dash7. Se volete subito creare un dispositivo IoT, volete sicuramente basarvi su una tecnologia che sia già stabile e largamente utilizzata. Comunque, consigliamo di dare loro un’occhiata una volta ogni tanto, magari emerge una tecnologia particolarmente interessante che non vorreste perdervi.

Quando dovrei Scegliere LPWAN?

Come tutti gli altri protocolli di comunicazione dell'internet delle cose, non c'è una risposta definitiva a ciò che è giusto per voi. Tuttavia, è facile capire se LPWAN non è adatto a voi. Cominciate a capire i requisiti di copertura del luogo dove verranno installati i vostri dispositivi.  Se non c'è una rete preesistente, allora progettare per LPWAN è come scommettere su un gladiatore che non è nemmeno nella lotta.

Gladiator symbols

C’è tantissima scelta tra le varie soluzioni LPWAN, l’importante è scegliere quella che ha più senso per la vostra implementazione.

Mentre aspettiamo le vostre opinioni su quali siano i protocolli più ampiamente accessibili e supportati, probabilmente fareste meglio per ora a scegliere delle tecnologie più sperimentate e definite. Vi consigliamo però di non dimenticarvi di LPWAN per qualche progetto futuro. Se volete che i vostri dispositivi IoT siano compatibili con le tecnologie future, vi consigliamo di leggere qualche notizia a riguarda ogni tanto.

Se avete già completato le vostre ricerche e siete pronti ad incominciare a progettare il vostro prossimo dispositivo IoT, allora assicuratevi di gestire i vostri componenti pensando già al futuro. I software per PCB come Altium Vault® rendono questo compito più semplice, integrando persino un sistema di controllo delle versioni per quando sarete pronti ad integrare dei dispositivi hardware nuovi. Potete contattare un rappresentante Altium oggi stesso.

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