Le tecnologie abilitanti per l’IoT

TIM ha da tempo maturato un crescente interesse sull’Internet of Things (IoT), arrivando a sviluppare un forte know-how su alcune delle principali tematiche di questo mondo. Nelle prossime sezioni sarà presentata una rapida carrellata delle tecnologie definite in 3GPP per supportare i servizi IoT, con un focus particolare sul Narrowband Internet of Things (NB-IoT), che per primo sarà disponibile nelle nostre reti. Verranno analizzati i differenti scenari che saranno resi possibili nei prossimi mesi grazie all’introduzione della nuova tecnologia NB-IoT, per poi concludere presentando le soluzioni impiegate oggi in TIM nel mondo delle utilities e dello smart metering in particolare.

 

Introduzione

Il panorama delle tecnologie di comunicazione wireless disponibili sul mercato è estremamente variegato, esattamente come la tipologia di servizi e dei relativi requisiti per i quali tali tecnologie vengono adottate. Ogni tipologia di applicazione IoT porta con sé una serie di requisiti di comunicazione (latenza, consumi, distanza, banda, costi) che rende ad oggi praticamente impossibile individuare un’unica tecnologia in grado di soddisfare i requisiti di ogni applicazione.
In Figura 1 è mostrata una possibile classificazione delle tecnologie radiomobili sulla base della copertura che possono offrire, e le velocità di trasmissione che possono essere raggiunte. Nel mondo dei dispositivi short-range, che normalmente operano su bande non licenziate (in genere per l’Europa 868MHz e 2,4GHz) si sono affermate tecnologie per dominio di applicazione (es. ZigBee per il contesto home, Wireless MBus per il metering, Low Power Bluetooth per il wearable e l’healthcare, NFC per il payment, reti mesh basate su 802.15.4 per applicazioni smart city, etc).

 

Figura 1 - Range e bitrate di alcune tecnologie di comunicazione per IoT

Per rispondere alle particolari esigenze delle numerose applicazioni che richiedono una copertura più ampia ma non necessitano di elevati bit-rate, il mercato ha visto nascere in prima battuta alcune soluzioni proprietarie di LPWAN (Low Power Wide Area Networks): Sigfox e Lora sono in tal senso gli esempi più noti. Negli ultimi mesi tuttavia, anche l’ente di standardizzazione 3GPP ha reso disponibile dei nuovi profili di accesso radio (Cellular-IoT o Machine-Type-Communication) con l’obiettivo di aumentare le coperture rispetto alle attuali reti mobili, ridurne i consumi ed avere un costo paragonabile agli attuali moduli GPRS, spesso utilizzati come soluzione alternativa in questi particolari contesti; il tutto garantendo la consolidata affidabilità e diffusione delle soluzioni standardizzate operanti su bande licenziate.

 

Soluzioni IoT nello standard 3GPP

Nell’ambito della Release 13 del 3GPP [1] sono state specificate tre tecnologie abilitanti per l’IoT in ambito cellulare, a seconda dei requisiti da soddisfare e dei mercati a cui si rivolgono:

  • NB-IoT (NarrowBand Internet of Things), rappresenta una soluzione basata su una nuova interfaccia radio, che può essere utilizzata sia in una porzione della banda del segnale LTE (o nella sua banda di guardia), o ancora in modo autonomo in porzioni di spettro rese disponibili dal rilascio di frequenze (ad esempio nel caso del refarming di una banda GSM).
  • LTE-M (Long  Term Evolution - Machine-Type Communications), rappresenta un’evoluzione di quanto iniziato a definire nell’ambito della Release 12 del 3GPP, in termini di MTC (Machine-Type Communications) in una rete LTE, con l’introduzione di una categoria specifica per i terminali, denominata Cat-0. LTE-M è pertanto noto anche con l’acronimo eMTC (enhanced-MTC) e per i terminali è stata introdotta una nuova categoria, denominata Cat-M1.
  • EC-GSM-IoT (Extended Coverage GSM IoT), rappresenta la soluzione compatibile con una rete GSM/EDGE, di cui riutilizza una porzione della banda e che richiede la disponibilità dell’EGPRS in rete (ossia della componente a pacchetto di EDGE).

La Figura 2 mostra il percorso evolutivo di definizione delle tre tecnologie specifiche per l’IoT a partire dalle tecnologie già disponibili in ambito 2G (EGPRS) e 4G (LTE).

 

Figura 2 - Dalle tecnologie legacy alle tecnologie abilitanti per l’IoT

NB-IoT

NB-IoT nasce come una nuova tecnologia radio, tuttavia utilizzabile in una rete LTE nella sua banda utile di dispiegamento (il cosiddetto “in-band deployment”, mediante l’utilizzo di una o più porzioni di spettro da 180 kHz, dette PRB, allocate nella banda utile di LTE) oppure nella sua banda di guardia (“guard-band deployment”, mediante l’utilizzo di uno o più PRB di 180 kHz allocati nella banda di guardia di LTE) o ancora in porzioni di spettro rese comunque disponibili, fossero anche una o più portanti GSM di una rete GSM ancora dispiegata in campo (“stand-alone deployment”, mediante l’utilizzo di uno o più canali di 200 kHz nominali, 180 kHz effettivi).
La Figura 3 riporta le 3 suddette modalità di dispiegamento di NB-IoT.

 

Figura 3 - Modalità di dispiegamento della tecnologia NB-IoT

Il sistema è pertanto autoconsistente, con i suoi propri canali di broadcast e segnali di sincronizzazione, motivo per cui non può essere dispiegato nei 6 PRB centrali di un’allocazione LTE su cui sono trasmessi i suddetti canali e segnali per LTE, al fine di evitare interferenza reciproca tra NB-IoT ed LTE. È proprio tale caratteristica che consente inoltre a NB-IoT di essere dispiegato in modalità “guard-band” o “stand-alone”, dal momento che ai fini della segnalazione broadcast e della sincronizzazione non dipende da un sistema legacy esistente.
I principali requisiti soddisfatti da NB-IoT sono così riassumibili:

  • dispiegamento in una banda estremamente ridotta (180 kHz) e facilmente scalabile al crescere del traffico IoT (con allocazioni multiple di canali da 180 kHz);
  • consistente estensione della copertura radioelettrica rispetto a quella fornita da una rete legacy GPRS, ossia di 20 dB superiore, corrispondente ad un MCL[nota 1] di 164 dB, per coprire gli scenari in cui i dispositivi sono collocati in luoghi non agevolmente accessibili, ad esempio negli scantinati, e/o sono protetti in contenitori metallici;
  • potenza di trasmissione del terminale impostata a 23 dBm oppure a 20 dBm, valori tali da consentire l’integrazione dell’amplificatore di potenza nel SoC (System-on-Chip); a titolo comparativo, un terminale GPRS trasmette a 33 dBm, ossia ad un valore di almeno 10 dB superiore, pur raggiungendo una copertura radioelettrica di 20 dB inferiore rispetto a NB-IoT;
  • durata della batteria del terminale superiore ai 10 anni, nel caso di un modello di traffico che contempli l’invio, da parte del terminale stesso, di una quantità di dati sino a 200 byte al giorno;
  • data rate ridotto, dell’ordine di alcune decine di kbps sia in UL sia in DL, con valori di picco pari a 250 kbps in UL ed a 170/226.7 kbps in DL in in-band/stand-alone deployment (e valori mediati nominali di 62.5 kbps in UL e di 21.25 kbps in DL);
  • assenza di requisiti stringenti in termini di latenza, con ritardi comunque non superiori ai 10 secondi  nel caso di applicazioni che richiedano l’invio di allarmi da parte di dispositivi collocati anche in luoghi tali da richiedere la massima estensione di copertura radioelettrica di 20 dB; il ritardo è valutato tra l’istante in cui si verifica l’evento che determina la segnalazione d’allarme e l’istante in cui tale segnalazione è disponibile alla stazione base per essere inviata alla core network;
  • complessità estremamente ridotta e presumibilmente costo estremamente contenuto dei terminali (comunque inferiore a quello dei dispositivi legacy GPRS-only di Release 97);
  • supporto di un elevato numero di terminali (maggiore di 50.000) in ogni singolo settore di una cella tri-settoriale, con l’allocazione di un PRB per settore.

I campi di applicazione di NB-IoT includono quelli per i quali i dispositivi sono collocati in luoghi tali per cui è necessario garantire una consistente estensione della copertura radioelettrica e la durata della batteria è un fattore estremamente importante, in quanto non risulta agevole, e neanche economicamente conveniente, intervenire sugli stessi dispositivi per sostituirne la batteria; in questi casi il ciclo di vita dei dispositivi corrisponde di fatto alla durata stessa della loro batteria. Al contempo, la mole di dati da trasferire e da ricevere da parte di tali dispositivi è molto contenuta (nell’ordine di alcune decine di byte al giorno, come media), per cui il NB-IoT risulta una soluzione ottimizzata per applicazioni quali lo smart metering.
L’estensione della copertura radioelettrica, sino ad ottenere un MCL di 164 dB, è ottenuta tramite funzionalità radio quali:

  • una concentrazione della potenza trasmessa su una banda estremamente ridotta, ossia un incremento della PSD (Power Spectral Density): la canalizzazione di 180 kHz utilizzata sia in DL sia in UL corrisponde all’occupazione spettrale di un PRB in LTE, con 12 sotto-portanti da 15 kHz ciascuna; in UL è inoltre prevista la possibilità di utilizzare anche una singola sottoportante con la scelta tra 2 canalizzazioni (3,75 kHz e 15 kHz, in grado di garantire un’estensione della copertura radioelettrica rispettivamente di 17 dB ed 11 dB rispetto a quella raggiungibile con la canalizzazione convenzionale di 180 kHz), oltre all’impiego di 3 o 6 sotto-portanti da 15 kHz ciascuna;
  • un elevato numero di ripetizioni dei TB (Transport Block): si considerano sino a 2048 ripetizioni in DL e sino a 128 ripetizioni in UL, valori selezionati in modo da poter raggiungere, insieme alle altre funzionalità, i 20 dB di guadagno attesi sulla massima estensione della copertura radioelettrica rispetto al sistema GPRS;
  • l’impiego di schemi di modulazione efficienti che permettono di ridurre il PAPR (Peak-to-Average Power Ratio), consentendo di utilizzare l’amplificatore in un punto di lavoro prossimo alla saturazione, senza introdurre distorsioni, riducendo pertanto il back-off che è necessario introdurre per garantirne il funzionamento in linearità, con conseguente incremento della potenza effettivamente trasmessa, che diventa prossima alla potenza nominale dell’amplificatore.

L’estensione della durata della batteria, sino a 10 anni, è ottenuta tramite funzionalità radio quali:

  • eDRX (extended Discontinuous Reception), che consente di ridurre la frequenza con cui sono monitorati i canali di controllo in DL da parte del terminale ed il numero di report di misura inviati dallo stesso terminale alla rete;
  • PSM (Power Saving Mode), che consente di minimizzare il consumo di potenza da parte del terminale che si trova in tale modalità, in cui il terminale risulta comunque irraggiungibile (non sono infatti neanche monitorati i canali di controllo da parte del terminale), pur essendo ancora registrato alla rete; il terminale esce da tale modalità con procedure periodiche originate dallo stesso terminale, quali il TAU (Tracking Area Update).
 

LTE-M

LTE-M utilizza 6 PRB contigui di un’allocazione LTE, con i canali di broadcast ed i segnali di sincronizzazione di LTE, e richiede una banda di 1.4 MHz, ossia la banda minima richiesta per un dispiegamento LTE. È da notare come la flessibilità del sistema sia tale che LTE-M funzioni correttamente, indipendentemente dalla banda del sistema LTE in cui è dispiegato (1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz oppure 20 MHz).
A differenza di NB-IoT e di EC-GSM-IoT che supportano soltanto la modalità di duplexing HD-FDD (Half Duplex - Frequency Division Duplex), LTE-M è versatile e supporta HD-FDD, FD-FDD (Full Duplex - Frequency Division Duplex) e TDD (Time Division Duplex).
Il data rate di picco raggiungibile sia in DL sia in UL è di 1 Mbps. I valori mediati nominali sono di 800 kbps in DL e di 1 Mbps in UL in modalità FD-FDD, mentre in modalità HD-FDD sono di 300 kbps in DL e di 375 kbps in UL. La potenza di trasmissione lato terminale è di 20 dBm o 23 dBm.
A fronte di un’occupazione spettrale superiore e di un conseguente data rate più elevato rispetto a quello ottenuto con NB-IoT, LTE-M non riesce a raggiungere un’estensione dei livelli di copertura radioelettrica, rispetto a quella legacy LTE, paragonabile a quella ottenibile con NB-IoT. Il valore di MCL raggiungibile da LTE-M è di 155.7 dB rispetto ai 164 dB di NB-IoT, assumendo tuttavia 20 dBm per LTE-M e 23 dBm per NB-IoT come potenza trasmessa dal terminale. Anche la durata della batteria dei terminali risulta inferiore a quella raggiungibile con NB-IoT, sebbene siano disponibili gli stessi meccanismi di eDRX e PSM prima illustrati, che permettono quindi autonomie superiori a un terminale LTE tradizionale. La complessità dei terminali per LTE-M, e presumibilmente il loro conseguente costo, sono inoltre superiori a quelli previsti per NB-IoT.
Ne consegue che i campi di applicazione di tale tecnologia in ambito IoT siano complementari a quelli previsti per NB-IoT e riguardino servizi in cui i requisiti ritenuti prioritari per tali applicazioni, quali la velocità di trasmissione dei dati, la mobilità dei terminali con la capacità di tracciamento della posizione degli oggetti a cui sono collegati o delle persone che li portano/indossano, non possono essere soddisfatti con NB-IoT. Si presume inoltre che per le applicazioni con i suddetti requisiti non sia generalmente richiesta una copertura radioelettrica paragonabile a quella ottenuta con NB-IoT e, per la tipologia di servizi che è in grado di fornire, ci sia la disponibilità a sopportare un costo di ogni singolo device superiore a quello previsto per NB-IoT, oltre ad una maggior facilità rispetto a NB-IoT (se non addirittura la mancanza di necessità) della sostituzione della batteria.

 

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT si basa su funzionalità aggiuntive a partire da EGPRS che, insieme al PSM, consentono ad una rete GSM/EDGE di essere predisposta per fornire servizi IoT. Lo standard è stato pensato in particolare per quei Paesi, come quelli in via di sviluppo, dove una rete LTE non è ancora disponibile.
L’occupazione spettrale di ogni canale corrisponde a quello legacy GSM, ossia 200 kHz. Tuttavia, al fine di dispiegare EC-GSM-IoT,  si richiede una banda utile di 2.4 MHz per permettere il frequency hopping, che, con l’aggiunta di 2 canali di guardia di 200 kHz ciascuno agli estremi della banda, porta l’occupazione di banda complessiva a 2.8 MHz. Nel caso in cui EC-GSM-IoT sia l’unico servizio dispiegato insieme all’EGPRS con cui condivide le risorse radio, ma in assenza del servizio voce GSM, sono sufficienti 600 kHz, riconducibili ad 1 MHz di banda necessaria con i suddetti canali di guardia.
La potenza di trasmissione del terminale è pari a 33 dBm (ossia quella di un terminale GSM convenzionale), al fine di raggiungere un’estensione della copertura radioelettrica corrispondente ad un MCL di 164 dB. Tale livello di potenza richiesto all’amplificatore non ne consente l’integrazione nel SoC, oltre ad avere implicazioni in termini di consumo e di conseguente durata della batteria. Nel caso in cui la potenza di trasmissione del terminale venga ridotta a 23 dBm (ossia al valore comunque massimo previsto sia per LTE-M sia per NB-IoT), l’estensione della copertura radioelettrica si riduce conseguentemente di 10 dB, limitandosi ad un MCL di 154 dB.
Il data rate di picco raggiungibile sia in DL sia in UL è di 491 kbps, mentre il valore mediato nominale è di 98 kbps sia in DL sia in UL.
Al fine di soddisfare i requisiti di capacità (più di 50.000 terminali in ogni singolo settore di una cella tri-settoriale), si rende necessario utilizzare una tecnica overlay basata su CDMA, sia sui canali di traffico sia sui canali di segnalazione.
In Tabella 1 è riportata un’analisi comparativa delle tre tecnologie considerate, che ne riassume le principali caratteristiche radio.

 

Tabella 1 - Principali caratteristiche radio di LTE-M, NB-IoT, EC-GSM-IoT

Sensori e device, il mondo degli smart objects NB-IoT

Dopo il periodo degli ultimi due anni che ha visto il proliferare di soluzioni LPWAN innestate su sviluppi proprietari (LoRa, Sigfox) o indotti dalla normativa di riferimento (come nel caso del wireless Mbus a 169 Mhz), a seguito della conclusione dei lavori in standard 3GPP il secondo semestre del 2016 sta assestando una nuova onda tecnologica basata sull’emergente ecosistema dello standard NBIoT.
In tale contesto, l’Operatore può evolvere la propria rete radiomobile con un semplice upgrade software e promuovere l’implementazione di device o smart object per abilitare nuove value proposition.
A fine ottobre, all’Eco-Connect 2016 di Parigi, Huawei ha iniziato a presentare diverse tipologie di Connected Objects pressoché disponibili in tecnologia NBIoT.
Come illustrato in Figura 4, si va dal sensore di parcheggio da introdurre nell’asfalto per captare quando un parcheggio è libero e se è stato di conseguenza pagato il ticket orario, al sensore di livello ad ultrasuoni, in grado di comprendere se il cassonetto dell’immondizia è pieno e di conseguenza far impartire al camion di raccolta un percorso ottimizzato ed efficiente. Anche per la smart agriculture saranno disponibili le più svariate soluzioni per valutare l’umidità del terreno e decidere se e quando irrigare.

 

Figura 4 - Esempi di smart objects: sensori di smart parking, sensore di umidità del terreno, metering acqua

Come già sottolineato, grazie alle ripetizioni dei pacchetti radio che assicurano la buona copertura in situazioni “deep indoor” NB-IoT è anche efficiente in condizioni di scarsa qualità del segnale radio e perciò si presta ottimamente per applicazioni di smart metering, in particolare acqua, viste le particolari condizioni installative. Sempre per il metering, nella Utility Week di Barcellona di metà novembre verrà dimostrato il primo meter elettrico della Janz (Figura 5), un’azienda portoghese: esso ha il pregio, grazie all’impiego della tecnologia NBIoT, di poter trasmettere il cosiddetto “last gasp”, cioè avvisare quando rimane senza potenza in ingresso (requisito non fattibile ad oggi con le tecnologie di PLC (Power Line Communication) e richiesto invece dalle future smart grids).

 

Figura 5 - JANZ ha dimostrato la fattibilità end-to-end dei propri power meter in NBIoT

In ambito Industry 4.0 sono varie le possibilità che l’IoT introduce, a partire dalle Smart Tags già ampiamente utilizzate per il tracking dei prodotti, dal magazzino fino al post-vendita.
Per Smart Products si intendono poi gli esiti del processo di digitalizzazione della supply chain, a partire dai bisogni dei clienti finali garantendo nel contempo la compatibilità dei prodotti finali con filiere già digitalizzate.
Per aggredire il mercato delle piccole / medie imprese si può impiegare un kit di sensori general purpose assieme ad un servizio in cloud per il monitoraggio e la gestione della fabbrica, ed aggiungendo progressivamente la disponibilità di  open API per lo sviluppo di apps specifiche.
Sempre in ambito industriale, l’impiego di sensoristica connessa permette di raccogliere dati a scopo predittivo su possibili guasti (predictive maintenance) e di smart maintenance in genere.
Per venire al segmento della Digital life, è già all’ordine del giorno la pubblicità di servizi basati su elettrodomestici connessi in rete, wearables per il controllo dei propri Pet e delle proprie “cose” nell’intorno di aree di sicurezza predeterminate dal cliente (pensiamo alla nostra offerta TIM Tag), sensori di varia natura in grado di dialogare con le piattaforme in cloud e con lo smartphone o altri devices del cliente, ed accumulare con frequenza variabile numerosissimi dati relativi alla vita di ogni giorno, aprendo così a nuovi scenari di utilizzo e monetizzazione.
Anche in questo settore l’industry NBIoT sta facendo ingresso, ed è compito del Telco poter ingaggiare partners e vendors per lo sviluppo di soluzioni in linea con tale standard.

 

Tecnologie per lo Smart Metering e il contesto italiano

Per il mondo delle utilities e dello smart metering in particolare, in Europa lo standard di riferimento è oggi il Wireless MBus [2]; il protocollo può funzionare su diverse bande di frequenza; per quanto concerne l’Italia, l’ AEEGSI (Autorità per lEnergia Elettrica, il Gas e Servizi Idrici) con la delibera 155/08 [3] nel 2008 ha introdotto l’obbligo da parte delle società di distribuzione del gas, di implementare un sistema di telegestione per i contatori. La soluzione infine adottata [4] prevede due modalità di comunicazione attraverso cui ogni contatore gas può collegarsi al sistema di gestione (SAC): mediante una connessione diretta (soluzione punto-punto, ad esempio con modulo GSM a bordo del contatore), oppure tramite una rete di prossimità (rete punto-multipunto), ossia mediante un concentratore che raccoglie i dati provenienti da un insieme di contatori limitrofi collegati ad esso mediante delle reti wireless basate su Wireless MBus a 169 MHz dette Capillary Networks, e che li invia verso il centro di gestione mediante una connessione su rete pubblica come rappresentato in Figura 6.

 

Figura 6 - Rappresentazione di una Capillary Network

Le Capillary Networks in campo

TIM ha realizzato Capillary Networks 169MHz per diversi clienti Utility Gas e Acqua sul territorio nazionale. Complessivamente al momento sono operativi su 6 macro aree territoriali 24 siti con 43 punti di illuminazione per più di 35.000 sensori complessivamente gestiti. Nel 2017 sono previsti i rilasci di nuove Capillary Networks per ulteriori 150.000 sensori gestiti.
In Figura 7 sono riportati alcune immagini esemplificative delle installazioni in campo.

 

Figura 7 - Esempi di installazioni in campo di punti d’illuminazione MSS

Conclusioni

Il mondo dell’IoT sta diventando una realtà sempre più presente e pervasiva nelle nostre vite. TIM ha da tempo ampliato la sua offerta per poter rispondere alle prime richieste di questo mercato, ma nei prossimi mesi la disponibilità di una nuova soluzione standardizzata e integrata nella sua infrastruttura di rete di quarta generazione darà ulteriore spinta ai numerosi servizi dell’IoT.
Nelle sezioni precedenti è stata presentata una panoramica dello stato dell’arte delle soluzioni tecnologiche per l’IoT, presentate in standard 3GPP o non standardizzate ma già dispiegate come parte dell’offerta commerciale di TIM. Un’attenzione particolare è stata riservata al Narrowband Internet of Things, la cui disponibilità, attesa già a partire del prossimo anno, potrà abilitare una nuova ampia famiglia di servizi basati sugli smart objects di domani.

 

Note

  1. MCL (o Maximum Coupling Loss) rappresenta la massima attenuazione che il sistema è in grado di sopportare lungo il canale trasmissivo
 

Bibliografia

  1. www.3gpp.org
  2. European Committee for Standardization, «EN 13757-4,» 2011.
  3. Autorità per l'energia elettrica e il gas, «ARG/gas 155/08,» 2008.
  4. Comitato italiano gas, «General requirements for remote reading or remote managment system,» 2010.
  5. European Telecommunications Standards Institute, «EN 300 220-1 V2.4.1,» 2012.
 

comments powered by Disqus