92 / 102
MAGGIO 2017
FIELDBUS & NETWORKS
92
La differenza principale tra una rete di tipo LP-WAN e una (I)WSN è pro-
prio nel dispositivo gateway. Nelle LP-WAN, infatti, il nodo edge ha bassa
complessità e funzionalità limitate, poiché la gestione della rete, quindi
dei livelli superiori dello stack protocollare, sono affidati al cloud. Una tale
configurazione consente non solo di impiegare hardware più economico,
perchéminori sono le richieste computazionali, ma anche di ridurre il con-
sumo energetico, poiché non è più necessario implementare strategie di
routing. A oggi, sono diverse le proposte di piattaforme LP-WAN, ognuna
delle quali contraddistinta da proprie peculiarità e caratteristiche indivi-
duali, che le rendono più adatte a uno o a un altro dei possibili servizi
IIoT. Tutte queste proposte mirano comunque a garantire sia un’elevata
portata, comparabile a quella fornita dalle tecnologie cellulari, sia un con-
sumo energetico comparabile a quello di una (I)WSN tradizionale.
Le stazioni base e la rete di backhaul possono essere pubbliche e gestite
dal fornitore di servizi, liberando l’utente dalla problematica della gestione
e manutenzione della rete, oppure private. La maggior parte delle piat-
taforme commercialmente disponibili opera in bande libere, come per
esempio quelle ISM (Industrial Scientific and Medical), solitamente nella
fascia denominata ‘sub-GHz’, ovvero la banda a 868MHz in Europa, a 915
MHz negli Stati Uniti e 920 MHz in Giappone. Tale scelta deriva da una
maggiore capacità di penetrazione a parità di potenza trasmessa e a un
minore affollamento rispetto alla banda di 2,4GHz, che ha però il pregio di
essere universalmente disponibile. Inoltre, i dispositivi sono generalmente
più efficienti quando operano a frequenze più basse. Un’altra caratteri-
stica comune è la connettività asimmetrica, ovvero un uso preferenziale
degli uplink (dal campo al cloud), rispetto ai downlink, uso dettato anche
dal fatto che minimizzando i momenti di ascolto, il nodo preserva la bat-
teria. Questi ultimi però sono necessari se, oltre ai sensori, si vogliono
connettere attuatori o si vogliono permettere upgrade ‘over-the-air’.
Alternative possibili e soluzioni percorribili
Un esempio di LP-WAN è dato da LoRaWan, soluzione che ha alle spalle
l’attività promossa dalla LoRa Alliance, che vede tra i suoi membri IBM,
Semtech e Actility. I link wireless si basano sulla soluzione proprietaria
LoRa (Long Range) di Semtech, che rappresenta un esempio di modu-
lazione di tipo Chirp Spread Spectrum (CSS). L’ampiezza di canale fino
a 250/500 kHz (rispettivamente per Europa e Nord America) fornisce un
bit rate grezzo, che può arrivare a decine di kbps. Esso dipende infatti
dallo ‘spreading factor’ impiegato (SF, variabile da 7 a 12), permettendo
un compromesso tra l’immunità ai disturbi e il throughput. I dispo-
sitivi sono raggruppati in tre classi, in accordo a diversi requisiti per il
downlink: i dispositivi di classe A trasmettono su evento secondo un ap-
proccio Aloha tradizionale e possono sfruttare due finestre di ricezione
per l’acknowledge; i dispositivi di classe B prevedono in aggiunta delle
finestre per il downlink sincronizzato (si basano su messaggi di ‘beacon’
per trasferire il riferimento temporale); infine, i dispositivi di classe C sono
sempre in ascolto. La lunghezza dei messaggi varia da circa 50 B a circa
250 B in funzione dell’SF ed è previsto l’uso di cifratura AES (Advanced
Encryption Standard) a livello di rete e sessione per garantire la sicurezza
delle transazioni. Il backend si articola tra network server, che gestiscono
l’affiliazione dei nodi; application server, che processano i dati e gesti-
scono le chiavi di cifrature; e customer server, per la personalizzazione
dei dati prodotti.
La piattaforma che però vanta lo stato di diffusione più avanzato, almeno
in Europa, è SigFox. La tecnologia radio impiegata rientra nelle modula-
zioni di tipo UltraNarrowBand (UNB), che limita però fortemente il bitrate
e il numero di messaggi che un singolo nodo può scambiare con la sta-
zione base al giorno (140). La velocitàmassima è di 100 bps per messaggi
con una lunghezza massima di 12 byte di payload. Anche Sigfox adotta
un’architettura di tipo cellulare, in bande ISM sub-GHz. Tanto la tecnolo-
gia di base, quanto il backend è proprietario di Sigfox, che rende acces-
sibile agli abbonati i dati attraverso interfacce basate su tecnologia web.
Sebbene originariamente progettato come un sistema unidirezionale,
Sigfox ha poi incluso una finestra di downlink, limitata però a quattro
messaggi di 8 byte per nodo al giorno, similmente a quanto fatto da Lo-
RaWan con i dispositivi di classe A. Relativamente alla sicurezza, Sigfox
non prevede nessuna tecnica di crittografia, poiché, non definendo il li-
vello applicazione, si ritiene che un eventualemessaggio intercettato non
possa essere interpretato, a meno che l’attaccante non lo conosca e sia
in grado di capire il sistema adottato dal sottoscrittore.
Un’altra soluzione che sembra promettente è quella di Ingenu, preceden-
temente nota come On-Ramp, che si basa su una versione proprietaria
della modulazione Cdma (a divisione di codice), affiancata da un accesso
al mezzo casuale detto Rpma (Random Phase Multiple Access). A diffe-
renza delle due precedenti, Ingenu opera nella banda libera ISM a 2,4
GHz e sono permesse sia topologie a stella sia ad albero. Al momento
però solo poche informazioni sono di pubblico dominio e i dati disponibili
spesso si riferiscono a studi basati su simulazioni.
È giusto citare anche Dash7, uno standard aperto promosso dalla Dash7
Alliance, che si è evoluto a partire dai cosiddetti tag attivi e si basa sullo
standard ISO 18000-7. Include una gerarchia di dispositivi (endpoint,
sub-controller, gateway), che permettono di implementare le tipiche
architetture cluster delle (I)WSN, inclusa la possibilità di comunicazione
diretta dispositivo a dispositivo. Si discosta in questo dall’architettura ti-
pica delle LP-WAN descritte precedentemente. Questa proposta non ha
per ora avuto un’adozione ampia e a oggi sono stati realizzati solo alcuni
progetti pilota.
Oltre alle piattaforme sopra citate, esistono poi le soluzioni proposte dagli
operatori di telefonia mobile, di cui la più famosa è probabilmente NB-
IoT, basato sulla release 13 delle specifiche 3GPP. L’idea è di utilizzare
uno o più dei resource block di LTE, pari a 180 kHz di banda utile, per
trasmissioni a basso rate compatibili con le richieste dell’m2m e dell’IIoT.
Tale soluzione, sebbene ancora sperimentale, in realtà richiederebbe solo
aggiornamenti di tipo software alle stazioni base LTE già installate.
Andando oltre: le ‘vere’ sfide
In conclusione, non vi è a oggi una piattaforma che domini sulle altre,
soprattutto perché le proposte del mondo ‘telco’ non sono ancora del tutto
definite. Relativamente ai costi di gestione, la maggior parte delle piat-
taforme LP-WAN offre lo stesso modello di business: l’utente si fa carico
dei ‘margini’ della rete e paga un canone all’operatore LP-WAN per la
gestione e l’accesso ai dati raccolti. La topologia a stella è efficiente da
un punto di vista energetico e richiede poche risorse, ma può essere un
vincolo alla scalabilità. Relativamente all’area coperta, l’uso della banda
sub-GHz permette una maggiore penetrazione e un minore affollamento
rispetto alla banda 2,4 GHz. Va poi detto che vi sono altri punti, quali l’af-
fidabilità e la sicurezza del servizio, che restano sfide non ancora del tutto
risolte. Per quanto riguarda le applicazioni mission-critical, per esempio,
l’uso di un server privato è probabilmente più sicuro che sfruttare servizi di
terze parti. Infine, oltre alle criticità tecniche, la vera sfida resta il modello
di business che tali soluzioni permetteranno.
Confronto tra le caratteristiche delle diverse tecnologie wireless
oggi disponibili