Bassa potenza e ampia area (LPWA)

Che cos'è?

Una rete LPWAN (Low-Power Wide Area Network) è una tecnologia di connettività che trasferisce dati tra dispositivi a bassa larghezza di banda e alimentati a batteria su lunghe distanze. È progettata per soddisfare le esigenze specifiche dei dispositivi Internet of Things (IoT), offrendo comunicazioni a lungo raggio e un basso consumo energetico.

LPWAN contro Wi-Fi e rete cellulare

Rispetto al Wi-Fi, che eccelle nel fornire connessioni ad alta velocità entro un raggio limitato, LPWAN offre un'area di copertura molto più ampia. Inoltre, LPWAN consuma molta meno energia, consentendo ai dispositivi di funzionare a batteria per periodi prolungati. Questo la rende una soluzione preferibile per ambienti remoti e con risorse energetiche limitate.

Nel confronto tra reti LPWAN e reti cellulari, la differenza principale risiede nei requisiti di dati. Mentre le reti cellulari sono progettate per applicazioni ad alta velocità di trasmissione dati come lo streaming multimediale, le reti LPWAN sono più economiche e ottimizzate per applicazioni a bassa velocità di trasmissione dati che richiedono una lunga durata della batteria.

Come funziona LPWAN

Le reti LPWAN offrono un supporto versatile per dimensioni di pacchetto che vanno da 10 a 1,000 byte, consentendo una trasmissione dati efficiente, e un raggio d'azione che va da pochi chilometri nelle aree urbane a oltre 10 km in contesti rurali. Una caratteristica predominante della maggior parte delle reti LPWAN è la topologia a stella, in cui i dispositivi terminali distribuiti, inclusi sensori e attuatori, stabiliscono connessioni con punti di accesso centrali.

Nonostante le diverse tipologie di reti, le tecniche di codifica e trasmissione dei dati rimangono invariate. Le reti LPWAN utilizzano metodi di modulazione per trasferire i dati in modo efficace su lunghe distanze, riducendo al minimo le interferenze. Ciò implica l'impiego di codici di correzione degli errori, un'ampia diffusione della banda di frequenza e la riduzione della velocità di trasmissione dei dati.

LPWAN vs LoRa™ e LoRaWAN®

LPWAN si riferisce a un tipo di tecnologia di comunicazione wireless che consente la trasmissione a lungo raggio e a bassa potenza di pacchetti di dati tra dispositivi. D'altra parte, LoRa™ e LoRaWAN Spesso vengono usati in modo intercambiabile, ma si riferiscono ad aspetti diversi della stessa tecnologia.

LoRa™ (Long Range) è una tecnica di modulazione brevettata che consente la comunicazione a lungo raggio in modo efficiente dal punto di vista energetico. Utilizza la modulazione Chirp Spread Spectrum (CSS) per fornire connettività a lunga distanza.

In confronto, LoRaWAN® sta per Long Range Wide Area Network ed è un protocollo di comunicazione costruito sulla tecnica di modulazione LoRa™. Il trasferimento dei dati ai gateway su lunghe distanze è la risposta a come funzionano i sensori LoRaWAN all'interno di questo quadro.

È inoltre possibile una comunicazione sicura e bidirezionale tra Dispositivi LoRaWAN e un server di rete centralizzato, che garantisce un funzionamento a basso consumo energetico e scalabilità.

Settori industriali per l'adozione di LPWAN

La tecnologia LPWAN è utilizzata in diversi settori per un'ampia gamma di applicazioni:

• Misurazione intelligente: Monitoraggio remoto dei contatori delle utenze, risparmio sui costi, maggiore efficienza.
• Agricoltura di precisione: Monitoraggio automatizzato dell'umidità del suolo, dell'irrigazione e della crescita delle colture.
• Città intelligenti: gestione dei trasporti, gestione dei rifiuti, illuminazione stradale.
• IoT industriale: Gestione energetica, ottimizzazione dei processi, riduzione dei costi operativi.
• Logistica: Monitoraggio in tempo reale di beni e risorse, riduzione dei furti, ottimizzazione delle scorte.
• Assistenza sanitaria: Monitoraggio remoto dei pazienti, migliore assistenza ai pazienti, riduzione dei ricoveri ospedalieri.
• Monitoraggio ambientale: Monitoraggio della qualità dell'aria, della qualità dell'acqua e delle condizioni meteorologiche.
• Gestione delle risorse: controllo dell'inventario, Prevenzione delle perdite, miglioramento della manutenzione.
• Magazzinaggio e vendita al dettaglio: Ottimizzazione dei livelli di magazzino, miglioramento dei processi di evasione degli ordini.
• Automazione degli edifici: Monitoraggio centralizzato di illuminazione, sistemi di climatizzazione e sistemi di sicurezza.

Casi d'uso

Grazie alle diverse funzionalità delle reti LPWAN, è fondamentale esplorare i casi d'uso specifici in cui questa tecnologia si rivela particolarmente adatta. Ecco alcuni esempi comuni che non solo dimostrano la versatilità delle LPWAN, ma evidenziano anche i significativi vantaggi che apportano ai rispettivi settori.

Monitoraggio automatizzato dell'umidità del suolo

Nell'agricoltura di precisione, la tecnologia LPWAN consente agli agricoltori di monitorare i livelli di umidità del suolo. Grazie alla trasmissione wireless dei dati in tempo reale, gli agricoltori possono prendere decisioni informate sui programmi di irrigazione e ottimizzare l'utilizzo dell'acqua. Ciò migliora la resa dei raccolti, riduce gli sprechi idrici e promuove la sostenibilità agricola complessiva.

illuminazione stradale

La tecnologia LPWAN svolge un ruolo fondamentale nelle iniziative per le città intelligenti, compresa la gestione dei sistemi di illuminazione stradale. Consente il monitoraggio e il controllo a distanza dei lampioni, permettendo alle città di regolare i livelli di illuminazione in base a condizioni quali i flussi di traffico o l'attività pedonale. Questa gestione efficiente consente di risparmiare energia, ridurre i costi e migliorare la sicurezza nelle aree urbane.

Monitoraggio in tempo reale di beni e risorse

Le reti a bassa potenza e ad ampia copertura (LPWAN) facilitano il monitoraggio in tempo reale di beni e risorse nella logistica, ad esempio tramite il tracciamento delle risorse basato su LoRaWAN. Grazie ai dispositivi di tracciamento compatibili con LPWAN, le aziende possono monitorare la posizione, le condizioni e gli spostamenti delle merci lungo tutta la catena di approvvigionamento. Questa tecnologia non solo contribuisce a ridurre i furti e a ottimizzare l'inventario, ma migliora anche l'efficienza complessiva e la soddisfazione del cliente.

Monitoraggio remoto del paziente

Nel settore sanitario, i dispositivi connessi tramite LPWAN possono raccogliere e trasmettere dati vitali sui pazienti, come frequenza cardiaca, pressione sanguigna o livelli di glucosio, consentendo agli operatori sanitari di monitorare i pazienti a distanza. Ciò migliora gli esiti clinici, riduce i costi sanitari e aumenta l'accesso alle cure, soprattutto per le persone che vivono in zone remote.

Monitoraggio della qualità dell'aria

Nell'ambito dell'applicazione di monitoraggio della qualità dell'aria, sensori connessi tramite LPWAN, ad esempio, Brezza TEKTELICÈ possibile raccogliere dati sugli inquinanti presenti nell'aria, fornendo informazioni in tempo reale sui livelli di qualità dell'aria in luoghi specifici. Questi dati consentono a governi e organizzazioni di adottare misure proattive per ridurre l'inquinamento, proteggere la salute pubblica e prendere decisioni in materia di pianificazione urbana e allocazione delle risorse.

Vantaggi di LPWAN

I principali vantaggi della tecnologia LPWAN includono i seguenti:

• Connettività economicamente vantaggiosa. La tecnologia LPWAN offre una soluzione economicamente vantaggiosa per connettere numerosi dispositivi su lunghe distanze. Di conseguenza, è ideale per casi d'uso che richiedono una copertura su vasta area.
• Durata della batteria estesa. Il basso consumo energetico consente ai dispositivi di funzionare a batteria per lunghi periodi, riducendo la necessità di sostituzioni o ricariche. Ciò è particolarmente importante per i dispositivi installati in luoghi difficilmente accessibili.
• Scalabilità. Le reti LPWAN sono progettate per supportare un numero scalabile di dispositivi. Ciò significa che, man mano che si aggiungono dispositivi alla rete, non si verificano ripercussioni significative sulle prestazioni o sulle funzionalità.
• Comunicazione sicura e affidabile. LPWAN garantisce che i dati vengano trasferiti tra i dispositivi e il server di rete in modo sicuro e senza interferenze, pertanto è adatto per applicazioni che richiedono la trasmissione di dati sensibili senza compromettere la capacità della rete.

Limiti

Sebbene le reti LPWAN offrano numerosi vantaggi, è fondamentale riconoscerne i limiti. Un vincolo significativo è rappresentato dalla velocità di trasmissione dati relativamente bassa che queste reti possono gestire rispetto ad altre tecnologie wireless. Le reti LPWAN privilegiano l'efficienza energetica e la copertura a lungo raggio rispetto all'elevata velocità di trasmissione dati, risultando quindi più adatte alla trasmissione di piccoli pacchetti di informazioni.

Un'ulteriore limitazione è la sensibilità delle reti LPWAN alle interferenze del segnale e alle condizioni ambientali. Edifici, elementi del paesaggio e persino le condizioni meteorologiche possono degradare la qualità del segnale, causando potenziali perdite di dati o connessioni inaffidabili. Di conseguenza, sono necessari un'attenta pianificazione e strategie di ottimizzazione della rete per garantire prestazioni costanti.

Inoltre, le reti LPWAN possono presentare problemi di latenza a causa della progettazione della rete e dei protocolli di comunicazione. Questo può rappresentare un problema per le applicazioni in tempo reale che richiedono la trasmissione immediata dei dati.

La larghezza di banda limitata delle reti LPWAN limita anche il numero di dispositivi che possono essere connessi simultaneamente, pertanto la scalabilità può rappresentare una sfida per determinati casi d'uso.

Problemi di sicurezza

Una delle principali preoccupazioni relative alle reti LPWAN è il potenziale rischio di accessi non autorizzati e violazioni dei dati. Poiché le reti LPWAN operano su bande di frequenza non licenziate, per gli aggressori diventa più facile intercettare le comunicazioni e acquisire informazioni sensibili. Allo stesso tempo, i dispositivi LPWAN spesso dispongono di una potenza di calcolo limitata, il che rende difficile implementare protocolli di sicurezza robusti.

Per mitigare questi rischi, gli esperti del settore sottolineano l'importanza di utilizzare tecniche di crittografia per proteggere la trasmissione dei dati su reti LPWAN. È fondamentale che le organizzazioni adottino metodi di autenticazione robusti per verificare la legittimità dei dispositivi che si connettono alla rete. Si raccomandano inoltre audit di sicurezza periodici e aggiornamenti del firmware per risolvere eventuali vulnerabilità.

Tipi di LPWAN

Sono emersi diversi tipi di reti LPWAN per soddisfare le esigenze specifiche delle applicazioni IoT. Ogni tecnologia LPWAN offre vantaggi unici ed è adatta a casi d'uso differenti.

NB-IoT (IoT a banda stretta)

NB-IoT è una tecnologia LPWAN con licenza che opera su reti cellulari. Sfrutta l'infrastruttura cellulare esistente per fornire connettività a un vasto numero di dispositivi IoT. NB-IoT offre un'eccellente copertura, penetrazione ed efficienza, risultando quindi adatto ad applicazioni come servizi di pubblica utilità, contatori intelligenti, tracciamento delle risorse e implementazioni di città intelligenti.

LoRaWAN® (rete a lungo raggio e ad ampia copertura)

LoRaWAN® è una tecnologia senza licenza che si basa sulle bande radio ISM (Industrial, Scientific, and Medical). Utilizza un'architettura di rete a stella, in cui i dispositivi finali comunicano con Gateway LoRaWAN, come Gateway IoT KONA Photonche fungono da intermediari tra i dispositivi e il server di rete.

Sigfox

Sigfox è un'altra rete LPWAN senza licenza che utilizza le bande ISM. Offre connettività a basso costo e a basso consumo energetico per dispositivi che trasmettono piccole quantità di dati con scarsa frequenza. Sigfox si avvale della tecnologia a banda ultra-stretta e di un'architettura di rete unica per fornire un'ampia copertura e un'elevata penetrazione per il tracciamento delle risorse, la gestione della catena di approvvigionamento, il monitoraggio ambientale, ecc.

LTE-M (Long-Term Evolution for Machines)

LTE-M è una tecnologia LPWAN con licenza che opera sulle reti cellulari LTE esistenti. Offre una soluzione più conveniente per la connettività IoT rispetto alle tecnologie cellulari tradizionali. LTE-M garantisce bassa latenza, velocità di trasmissione dati più elevate e una copertura migliorata, risultando quindi adatto ad applicazioni in tempo reale come il tracciamento dei veicoli, il monitoraggio sanitario e i sistemi di sicurezza intelligenti.

Senza peso

Weightless è una tecnologia LPWAN senza licenza progettata specificamente per applicazioni IoT. Opera nello spettro di frequenze inutilizzate tra i canali televisivi. Questa tecnologia offre una copertura a lungo raggio e può penetrare gli ostacoli, risultando quindi adatta per applicazioni come la misurazione intelligente, l'agricoltura di precisione, il monitoraggio delle infrastrutture e usi simili.

RPMA

RPMA (Random Phase Multiple Access) è una tecnologia LPWAN degna di nota che opera sullo spettro concesso in licenza e garantisce connettività a lungo raggio e bassi consumi energetici. Per questo motivo, rappresenta un'ottima soluzione per implementazioni su larga scala in diversi settori, tra cui le smart city e l'agricoltura.

EC-GSM-IoT

A differenza di RPMA, EC-GSM-IoT sfrutta lo spettro concesso in licenza delle reti 2G esistenti, offrendo un'ampia area di copertura. Questa tecnologia è specificamente progettata per dispositivi a basso costo che necessitano di trasmettere piccole quantità di dati per lunghi periodi. Offre una migliore copertura indoor, una maggiore durata della batteria ed è retrocompatibile con le reti GSM esistenti.

DASH7

DASH7 è un tipo di LPWAN senza licenza che si basa sulle bande ISM a 433 MHz o 915 MHz. Offre comunicazioni a lungo raggio, anche in ambienti difficili come foreste o aree urbane, ed è in grado di penetrare ostacoli e gestire le interferenze. Per questo motivo, DASH7 è una tecnologia adatta ad applicazioni come il tracciamento di risorse e il telerilevamento.

ELTRE

Infine, ELTRES di Sony è una soluzione LPWAN progettata per combinare un'ampia varietà di tecnologie appartenenti al gruppo Sony Semiconductor Solutions. Ciò consente di trasmettere informazioni dai sensori ai server cloud tramite comunicazione wireless, dove i dati possono essere archiviati, elaborati e visualizzati.

Conclusioni

In conclusione, la tecnologia LPWAN offre vantaggi significativi per diversi settori e applicazioni nel mondo dell'IoT. La sua ampia copertura, il basso consumo energetico e l'efficienza in termini di costi la rendono una scelta valida per ambienti remoti e con risorse energetiche limitate.

Le soluzioni LoRaWAN®, come ad esempio Soluzione di tracciamento degli asset TEKTELICI prodotti compatibili con NB-IoT, Sigfox, LTE-M, Weightless e altre reti LPWAN offrono ciascuno vantaggi e casi d'uso specifici.

Tuttavia, le reti LPWAN presentano anche dei limiti da considerare, ad esempio velocità di trasmissione dati inferiori, sensibilità alle interferenze del segnale, problemi di latenza e questioni di sicurezza. Ciononostante, con un'adeguata pianificazione e ottimizzazione, le reti LPWAN possono fornire connettività sicura e affidabile per i dispositivi IoT.