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NOVEMBRE 2019 FIELDBUS & NETWORKS 50 Fieldbus & Networks 50 su chiavi uniche a livello di rete, di applicazione e di dispositivo. Inoltre, a livello di dispositivo terminale LoRa prevede diverse classi per indirizzare le esigenze di un ampio spettro di applicazioni. Si parte, per esempio, dai dispositivi bidirezionali di Classe A, dove a una trasmissione uplink seguono due brevi finestre di ricezione in downlink. Questo funzionamento è destinato ai dispositivi con i requisiti energetici più stringenti e specifiche di comunicazione non troppo elevate. Rispetto ai dispositivi in Classe A, quelli in Classe B prevedono invece delle finestre di ricezione aggiuntive in momenti programmati. Per aprire queste finestre di ricezione nei momenti stabiliti, i dispositivi ricevono un avviso sincronizzato (‘beacon’) dal gateway. Ciò consente al server di sapere quando il dispositivo fi- nale è in ascolto. Nei dispositivi di Classe C la finestra di ricezione è sempre aperta, quindi non vi è latenza. La tecnologia LoRa può essere utilizzata in reti sia private sia pub- bliche. SigFox Il secondo grande attore nel campo delle Lpwan è SigFox, una rete di telecomunicazione gestita dedicata all’IoT che evita all’utente di avventurarsi in attività di installazione o di manutenzione. La tecno- logia SigFox funziona in maniera trasparente, consentendo così allo sviluppatore di concentrarsi sul contenuto core del suo progetto, senza preoccuparsi della comunicazione. Essa permette una comu- nicazione bidirezionale, da e verso il dispositivo, il quale si incarica sempre di avviare il processo. La rete SigFox è stata disegnata per l’invio di messaggi di dimensioni ridotte e solo nel momento in cui occorre, tutelando così l’efficienza energetica. Essa lavora su frequenze sub-GHz, sulle bande ISM (868 MHz in Europa/Etsi e 902 MHz in USA/FCC) con una modulazione ‘Ultra-Narrow Band’ che garantisce una rete scalabile ad alta capa- cità e che consente comunicazioni a lungo raggio, con una copertura maggiore rispetto al GSM. Non vi è alcuna negoziazione dei parametri della connessione tra il dispositivo e una ‘base station’ ricevente. Il di- spositivo semplicemente emette nella banda di frequenza disponibile; il segnale viene rilevato dalle base station più vicine, decodificato e trasmesso al back-end della rete. I messaggi vengono poi inoltrati all’applicazione dell’utente e resi accessibili tramite le API di SigFox. Ogni messaggio viene autenticato utilizzando un meccanismo hash e una chiave privata specifica del dispositivo. Il tutto offre una grande protezione dagli attacchi in replay. Il protocollo SigFox permette di trasferire fino a 12 byte per mes- saggio e fino a 140 messaggi al giorno. Questa limitazione è do- vuta, in parte, al rispetto delle normative del settore; la normativa europea che disciplina la banda 868 MHz consente un duty-cycle di trasmissione dell’1%. Un singolo dispositivo non potrà pertanto trasmettere per più dell’1% del tempo in un’ora. NB-IoT NB-IoT (Narrow-Band Internet of Things) è una soluzione promossa da importanti operatori in tutto il mondo e rappresenta uno standard emergente. Questa tecnologia, che rientra nella Mobile IoT Initia- tive del GSM e le cui specifiche tecniche sono definite in ambito 3GPP, consentirà di indirizzare, secondo uno standard condiviso e riconosciuto a livello mondiale, le applicazioni IoT su reti 4G, quali smart metering, logistica ecc. Tali applicazioni sono caratterizzate da un numero di terminali potenzialmente molto più elevato rispetto al numero tipico di una rete radiomobile e da requisiti molto pe- culiari, per esempio costi molto bassi del modulo radio, capacità trasmissiva commisurata all’applicazione, estensione della copertura e incremento del tempo di vita della bat- teria. Lo standard NB-IoT rientra nell’evoluzione delle reti LTE che gestiranno anche altre applicazioni m2m, quali smart grid, fleet tracking, wearable, connected car, Industry 4.0. Si tratta quindi di uno standard voluto da tutta l’industria del settore e che potrà be- neficiare di grandi economie di scala a livello mondiale. Tra le caratteristiche di NB-IoT si segnala la particolare copertura radio, che permette la propagazione del segnale anche da e verso sensori dislocati in seminterrati e racchiusi in contenitori metallici. Un’ulteriore caratteristica è la capacità di gestire almeno 50.000 punti per ciascun settore di un sito radiomobile con canale di 180 kHz. La velocità bidirezionale minima è pari a 160 bit/s per sensore, con bit rate edge dell’ordine di 1 kbps, con picchi fino a 250 kbps in buona copertura. L’alta efficienza energetica permette di garantire consumi molto inferiori rispetto all’attuale tecnologia di prima ge- nerazione: nel caso di moduli NB-IoT a batteria, infatti, l’autonomia può superare dieci anni. Fra le altre caratteristiche figurano la bassa complessità ingegne- ristica, inferiore a quella degli attuali terminali m2m basati sullo standard Gprs; il valore target di costo del modulo di comunicazione di circa cinque dollari (secondo l’operatore italiano TIM) e l’utilizzo di bande radio già licenziate che consentono all’operatore di ga- rantire un servizio non soggetto a interferenze provenienti da altri sistemi. La soluzione NB-IoT si sposa inoltre con la disponibilità della tecnologia e-SIM, che abilita la configurazione da remoto e il cambio di operatore senza la sostituzione fisica della SIM. Discovery Il Web Fisico (Physical Web) consente in estrema sintesi di visua- lizzare un elenco di URL trasmessi da oggetti nell’ambiente circo- stante semplicemente con un beacon Bluetooth Low Energy (BLE). Il multicast Domain Name System (mDNS) risolve invece i nomi host in indirizzi IP all’interno di reti di piccole dimensioni che non inclu- dono un server locale dei nomi. Data protocol Il protocollo Mqtt (Message Queuing Telemetry Transport) offre un modello di messaggistica di pubblicazione estremamente leggero. È utile per connessioni con ubicazioni remote, in cui è richiesto un footprint di codice ridotto, o in reti con limitata larghezza di banda. Mqtt-SN (Mqtt per reti di sensori) è un protocollo di pubblicazione aperto e leggero (stessa struttura del precedente), progettato però specificamente per applicazioni m2m. Infine, CoAP (Constrained Ap- plication Protocol) è un protocollo a livello di applicazione destinato all’uso in dispositivi Internet a risorse limitate, come i nodi WSN. L’utilizzo di servizi web based è ormai diventato di uso comune in moltissime applicazioni: essi sono basati sull’architettura tipica del web, ossia Rest (REpresentational State Transfer). Le reti come 6Lowpan permettono l’invio di pacchetti di grandi di- mensioni applicando però la frammentazione degli stessi, operazione che influisce pesantemente sull’affidabilità della consegna. Per tale motivo il protocollo http non è il più adatto a questi scenari: lo scopo di CoAP è di realizzare un’architettura Rest adatta alle reti di sensori, che sono caratterizzate da nodi con funzionalità hardware limitate, nonché da collegamenti che non fanno dell’affidabilità il loro ‘forte’. Lo scopo di CoAP non è dunque di comprimere semplicemente il pro- tocollo http affinché sia adatto alle WSN, quanto piuttosto di creare un sottoinsieme di funzionalità di tipo Rest compatibili con http.