IoT & Standard

Gli standard sono degli abilitatori importanti per IoT, capaci di avvicinare la realtà del mercato alle aspettative; dove il mercato non riesce a risolvere limiti economici e gap tecnologici, lo standard può dare una risposta. Vediamo come.

 

Introduzione

In questo articolo in particolare si pone l’attenzione sulle caratteristiche principali di oneM2M, che rappresenta l’unico standard orizzontale “de jure” disegnato per integrare le diverse soluzioni verticali e proprietarie. Viene anche sottolineato come il valore di tale standard non sia solo per gli attori maggiori, ma come nel variegato contesto di IoT sia anche un valore imprescindibile per le SME.
L’altro aspetto trattato è l’effort speso nello standard 3GPP per NB-IoT, cioè per dare una risposta per LPWA integrata con le soluzioni radiomobili, in grado di mitigare i costi infrastrutturali riutilizzando la rete cellulare.Viene infine offerta una vista di più ampio respiro attraverso l’iniziativa IoT in IEEE, offrendo uno sguardo integrato fra standard, contesto industriale e mondo della ricerca accademica.

 

IoT: quale definizione

IoT è uno dei contesti più promettenti per un ulteriore sviluppo delle telecomunicazioni ed è sicuramente anche quello su cui si sono create maggiori aspettative. Quello che crea oggi disappunto è il fatto che il mercato IoT cresce costantemente, ma rimane comunque indietro di ordini di grandezza rispetto alle previsioni.
E’ opportuno chiarire subito che IoT, anche nella sua accezione M2M, prevede interazioni con le persone. Tutti i sistemi IoT, dalla quelli domestici a quelli industriali, alla fine arrivano a portali o app che permettono di usufruire, fornire istruzioni, monitorare e gestire questi sistemi. Quello che in realtà ci fa chiamare un sistema M2M o IoT è la sua capacità di scambiare informazioni fra “cose” al fine di coordinarsi per realizzare una serie di operazioni, a volte molto complesse, in modo automatico.
Sistemi con queste capacità  esistono da decenni, basati sull’uso di protocolli di comunicazione specifici di ciascun settore industriale e di semantiche spesso proprietarie,  come nei sistemi più semplici di telecontrollo ed automazione presenti da decenni, dove lo scambio di informazioni fra le diverse “isole” tecnologiche è limitato.
Questa frammentazione  sembra essere il maggiore “showstopper” che rallenta il mercato.  Sistemi articolati, come le Smart Cities, ma anche solo i sistemi più semplici della domotica o del building automation, rimangono progetti di integrazione complessi e costosi che spesso richiedono una certa creatività per mettere insieme soluzioni diverse.
Vengono così impedite le economie di scala necessarie allo sviluppo dei mercati, in un contesto dove molti servizi richiederebbero un elevato numero di istallazioni a costi relativamente bassi ed una velocita di integrazione molto più elevata, con metodologie e processi consolidati.
In parte questo si riflette anche nelle tecnologie, in particolare nel contesto Low Power Wide Range (e.g. metering), dove si assiste da una parte alla frammentazione delle soluzioni industriali, dall’altra a un costo rilevante delle infrastrutture necessarie, tale da rallentare lo sviluppo delle del mercato. In questo contesto il riuso di infrastrutture esistenti appare promettente, a partire da quelle cellulari.

 

Il ruolo dello standard nell’IoT

Il problema della frammentazione è stato ignorato a lungo dalle aziende e dai vari consorzi che hanno approcciato il mercato IoT, in quanto ciascuna è impegnata a consolidare il proprio mercato ed a dominarlo in un ottica protezionistica.
Nell’ambiente degli standard di telecomunicazioni, tradizionalmente aperto a soluzioni globali e alla competizione, il problema è stato identificato fin dal 2009. La prima soluzione standard è stata rese disponibili in ETSI M2M fin dal 2011, basata sui concetti di interlavoro semantico fra le soluzioni proprietarie presenti sul mercato, comunicazione IP “Store and share” e riuso delle funzionalità già offerte dalle reti di telecomunicazione, in un’ottica di integrazione fra connettività e servizi. Tale soluzione si è confrontata con un mercato ancora immaturo rispetto al tema dell’integrazione, che invece è invece diventato emergente gli ultimi anni, alla luce dei parziali fallimenti delle soluzioni sviluppate dai vari consorzi industriali concorrenti.
Nel frattempo la soluzione sviluppata in ETSI è stata globalizzata ed estesa nell’ambito con una collaborazione fra i maggiori enti di standard globali [1], nell’ambito del Partnership Project oneM2M (Figura 1), divenuta standard di riferimento sia in ambito di Unione Europea che per enti globali come ITU-T , e  che vede la partecipazione di oltre 220 fra i maggiori attori del settore [2]. Di fatto se si considerano  gli standard propriamente detti (standard de jure) l’unica iniziativa consolidata e globale per il supporto per IoT e M2M relativamente al service layer è rappresentata da oneM2M [3].

 

Figura 1 - oneM2M

L’altro tema affrontato dallo standard in modo prioritario è legato alle tecnologie per l’infrastruttura di comunicazione. A fianco di decine tecnologie usate nello sullo “short range” (Zigbee, Wireless M-Bus, Bacnet, etc,) combinate con tecnologie di rete fissa e mobile per completare la comunicazione a lunga distanza, l’attenzione è sta posta negli ultimi anni sulla necessita di arrivare direttamente con soluzioni “long range” a terminali con requisiti di banda ridotti e batterie di lunga durata. Il tutto con  aspettative di costo ridotti in confronto alle soluzioni tradizionalmente usate in questi casi, basate su soluzioni radiomobili SMS o dati.
Per rispondere a questo mercato che timidamente inizia a svilupparsi, diverse soluzioni proprietarie sono state sviluppate, sia in termini di tecnologie (e.g. LoRa) che in termini di proposta commerciale completa (e.g. SIGFOX). La reazione del mondo radiomobile è maturata negli standard standard 3GPP con un’accelerazione delle specifiche NB-IOT (NarrowBand IoT).
NB-IoT è una tecnologia LPWAN (Low Power Wide Area Network) sviluppata a completamento di quanto già offerto (2G, 2,5G, 3G e 4G), ed in preparazione per le reti di quinta generazione ottimizzate per il supporto di IoT.
Disegnata per supportare un ampio numero di servizi è disegnata per aver un’ottima penetrazione indoor, un costo contenuto ed integrarsi con le reti cellulari esistenti. E’ anche peculiare il tempo ridotto fra la sua stabilità come specifica (congelata ad metà 2016) e la disponibilità di prodotti sostanzialmente già messi a disposizione dai principali costruttori in forma pre-commerciale.

 

Lo standard oneM2M

OneM2M è soprattutto un framework di interlavoro fra servizi e i tecnologie diverse. Fin dai primi passi (è nato in ETSI TC M2M, ora SmartM2M [4]) è stato riconosciuto che una moltitudine delle soluzioni per M2M/IoT sarebbero continuate ad esistere per motivi di legacy e di ottimizzazione dei vari contesti tecnologici, senza contare la settorialità dei vari business collegati.
Ne è nato uno standard globale per una piattaforma di servizio per IoT e M2M, flessibile e interoperabile con i sistemi esistenti, abilitante la condivisione di informazioni fra questi conglomerati di sistemi diversi e in grado di creare nuove opportunità basate sull’interazione fra più servizi e fra più sorgenti di informazione.

 

Architettura e API

Al fine di supportare almeno in linea di principio tutti servizi IoT/M2M, il sistema deve essere necessariamente flessibile e supportare diversi modelli di deployment, Ne è risultata un piattaforma distribuita, in grado di distribuire complessità a livello di device, gateway e server centrali, così come di concentrarla in rete nel caso di constrained devices/gateways.
Dalla Figura 2 si evince come tutto ruoti su un elemento funzionale denominato CSE, in grado di offrire una API (Mca) alle applicazioni (Application Entity) sia locali che remote e di comunicare con altre CSE tramite un’altra API definita (Mcc). Queste API sono sostanzialmente invarianti alla configurazione e non richiedono una conoscenza della configurazione e delle reti usate per supportare la comunicazione. Le CSE di per sé assumono la forma di una piattaforma nel caso dei server in rete e di client relativamente complessi quando istanziata su device e gateway. La API Mcn è invece caratterizzata diversamente a seconda del tipo di rete sottostante usata.

 

Figura 2 - Architettura oneM2M

Tecnologicamente è un sistema basato su uno stile REST [5] delle API, basato sull’uso di risorse condivise secondo un paradigma di “store & share” che usa http, coap e mqtt su rete IPV4 e IPv6 trasparentemente. Completa il tutto un indirizzamento ed identificazione  basati sull’uso di URI, in grado di funzionare potenzialmente anche su comunicazioni non IP native.
Altra caratteristica peculiare è una separazione della security dalla privacy delle informazioni, la prima basata sull’integrazioni di soluzioni esistenti, la seconda delegata essenzialmente ai CSE, sulla base delle indicazioni date da chi il dato lo ha fornito.

 

Integrazione e esposizione dei servizi di rete

In generale oneM2M riusa quanto disponibile nelle varie reti locali e quanto offerto dalle reti di telecomunicazione internet fisse e cellulari, riusandone i servizi e la connettivà in modo trasparente per il mondo applicativo. Sua caratteristica è di poter funzionare indipendentemente dalle reti usate, ma di integrarsi con i vari servizi quando disponibili.
A parte la connettività, esempi rilevanti sono la sicurezza (se la comunicazione offerta dalla rete sottostante è ritenuta sufficientemente sicura, si basa su di essa e ne integra la sicurezza solo quando necessario, a seconda dei requisiti dei servizi). Altro esempio è la gestione dei  gateway e dei terminali con l’integrazione di OMA DM [6] e del TR069 [7] definito dal BBF.
In quest’ottica è interessante la possibilità di utilizzare gli standard oneM2M per complementare il service enablement applicativo con l’exposure dei servizi di rete. Un rilevante esempio sono le comunicazioni NB-IoT del 3GPP, che includono sia la connettività IP che  la così detta  NIDD (Non IP Data Delivery) [8], che richiede un mezzo per la fruizione dei dati da parte delle applicazione tramite service exposure da parte dell'operatore di rete.

 

Interoperabilità semantica

Completato il supporto per la parte di comunicazione e la condivisione dei dati inclusa la storicizzazione della mole delle informazioni condivise e la loro persistenza nella rete, la terza componente necessaria per raggiungere l’obiettivo di integrazione delle varie tecnologie presenti nell’IoT/M2M è stata la componente semantica.
Cioè la generale complessità di modellare un sistema che deve rappresentare oggetti reali e virtuali, a volte molto semplici a volte estremamente complessi, inclusi gli esseri viventi e le loro interazioni.
OneM2M al fianco dell’inclusione di informazioni sulla semantiche associate ai dati trasferiti e memorizzati dalla piattaforma, ha specificato una ontologia di base e regole di modellazione che permettessero di trovare un mappaggio sugli oggetti base usati dalle piattaforme oneM2M, comune ai diversi protocolli e data model usati nel contesto IoT (Figura 3).

 

Figura 3 - Interlavori semantici

Il risultato ottenuto, pur non risolvendo completamente il problema dell’interlavoro semantico, lo facilita arrivando in molti casi ad una trasparenza semantica fra protocolli diversi, almeno per le loro parti equivalenti.
Particolarmente efficace risulta in casi come le ontologie per le Smart Appliances (SAREF) definite in ETSI SmartM2M, che integrano le iniziative europee più efficaci del settore, come EEBus e Energy@home. Si tratta di una attività congiunta di ETSI con le organizzazioni DG connect e DG Energy della Commissione Europea rivolte alla standardizzazione della comunicazione gli apparati domestici [9], che fa un riuso diretto delle specifiche oneM2M, integrandole con aspetti di semantica e ontologia specifici [10].

 

Stato delle specifiche oneM2M e implementazioni

Attualmente è disponibile la Release 2 delle specifiche rilasciata ad agosto 2016, che estende le funzionalità, di comunicazione ed interlavoro protocollare con quelle di interoperabilità semantica.
Dal punto di vista di prodotti ed implementazioni commerciali, si segnalano fra le altre quelle Sud Coreane, dove oneM2M è alla base di molti servizi commerciali degli operatori di Telecomunicazione, e l’uso in Europa nel contesto di Smart Cities a di Metering, nonché una crescente attenzione agli sviluppi di prodottioneM2M in India. Una lista aggiornata delle maggiori implementazioni è sul sito di oneM2M [11].
E’ anche da rilevare un crescente interesse delle PMI, che testimonia come il mercato stia muovendosi, e la necessità di fornire contesti di sviluppo stabili sia una urgenza alla quale oneM2M può fornire una risposta.
Si segnalano inoltre alcune iniziative di sviluppo opensource quali quelle di Ocean [12] e di Eclipse [13], che sono anche alla base di implementazioni commerciali.

 

Conclusioni

L’ambiente dello standard si è dimostrato attento ai gap tecnologici, cercando a volte  di risolverli al loro manifestarsi ed spesso di anticiparli.
Relativamente al problema della frammentazione lo standard  ha largamente anticipato il bisogno di integrare le diverse soluzioni industriali. In realtà la necessità era evidente da tempo, ma il mercato non era ancora pronto, con i player verticali industriali impegnati a tentare di consolidare soluzioni proprietarie e a tentare di posizionarsi sui relativi business.
In questo contesto gli enti di standard di telecomunicazioni, più abituati fornire soluzioni aperte e neutrali, hanno sviluppato una soluzione globale disegnata per integrare le varie soluzioni ed i vari mercati, al fine di scambiare e comprendere informazioni al di là delle tecnologie specifiche usate.
Notevole è anche l’incremento in termini di prospettive: il valore di un sistema interconnesso è tradizionalmente considerato proporzionale al quadrato del numero di terminali connessi. Abilitare la comunicazione fra sistemi verticali diversi significa, perciò, incrementare il valore globale di IoT in modo significativo [17].

 

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