LPWA è l'acronimo di Low-Power Wide-Area. Non si riferisce a una tecnologia specifica, ma è un termine generico per indicare qualsiasi rete progettata per comunicare in modalità wireless con una potenza inferiore a quella di altre reti come quelle cellulari, satellitari o WiFi.
Inoltre, le LPWAN comunicano su distanze maggiori rispetto ad altre reti a bassa potenza che utilizzano, ad esempio, il Bluetooth o l'NFC.
LPWA è anche indicato come LPWAN, dove la N sta per network. LPWA è simile ai termini LAN o WAN in quanto non ha una definizione ufficiale e specifica.
In genere, la comunicazione su lunghe distanze a bassa potenza consente di trasmettere solo piccole quantità di dati alla volta. Mentre le moderne reti cellulari si spingono nel territorio dei gigabit al secondo con le reti LTE Advanced e le prossime reti 5G, le reti LPWA trasmettono molto meno, spesso solo pochi kilobit per canale. D'altra parte, molte tecnologie LPWA possono comunicare su distanze maggiori, a volte fino a 500 miglia o più.
Gli avvisi personalizzati e la visualizzazione dei dati consentono di identificare e prevenire rapidamente i problemi di salute e di prestazioni della rete.
La larghezza di banda molto limitata delle reti LPWA non è adatta alla maggior parte delle applicazioni consumer e commerciali, come voce, video, audio o persino messaggi di testo. Per questo motivo, le reti LPWA sono utilizzate quasi esclusivamente dai dispositivi dell'Internet degli oggetti (IoT) e dalle comunicazioni M2M (machine-to-machine).
Mentre i dispositivi domestici o aziendali, come frigoriferi, lampadine o termometri Nest, possono facilmente sfruttare la connessione WiFi di casa o dell'ufficio, alcuni dispositivi non possono contare su tale connettività.
Consideriamo un canale di irrigazione che si estende per chilometri nelle campagne americane. Lungo questa catena di corsi d'acqua e fossi si trovano centinaia o addirittura migliaia di pompe e cancelli. Gran parte del canale di irrigazione attraversa terreni privati, tra i campi coltivati e per diversi chilometri. Per questo motivo, seguire il percorso anche solo una volta al giorno per assicurarsi che le pompe funzionino correttamente è poco pratico, per non dire di scarso valore. Se una pompa vicina all'estremità si guasta, potrebbero passare ore prima di raggiungerla. Se si guasta una pompa dietro di voi, potreste non saperlo fino al giorno successivo.
In casi come questi, non c'è una rete locale a cui accedere. Le reti cellulari standard nelle pianure sono discontinue o inesistenti in molte aree. Una connessione satellitare potrebbe funzionare, ma sarebbe molto costosa e richiede molta energia. In questo caso, una rete LPWA è esattamente ciò che serve.
Con una portata fino a decine di chilometri, la rete di pompe può collegarsi in modo semplice ed economico. Sebbene la quantità di dati trasmessi sia limitata, ne occorrono sorprendentemente pochi per fornire lo stato di una pompa dell'acqua. Un singolo numero può indicare lo stato generale: un numero per il funzionamento normale, una serie di altri per le varie condizioni di errore e un altro numero potrebbe indicare il numero di litri pompati al giorno. Questo sistema consentirebbe agli agricoltori di monitorare ogni pompa della linea da una console centrale. Una condizione di errore per surriscaldamento e un calo del numero di litri pompati potrebbero segnalare una pompa in avaria. Warning precoci come questo permettono di avvisare in anticipo il tecnico. Il tutto da una minuscola trasmissione periodica di dati.
I dispositivi situati nelle stazioni meteorologiche in cima alle montagne, le luci in un complesso di serre di diversi acri, i semafori, i segnali dei passaggi a livello e molto altro ancora possono essere monitorati e, in alcuni casi, persino gestiti con i dati limitati e i requisiti di bassa potenza degli LPWA.
Notifiche in tempo reale significano una risoluzione più rapida dei problemi, in modo da poter intervenire prima che si verifichino problemi più gravi.
LoRaWAN è l'acronimo di Low-Power Long Range Wide Area Network. LoRa Alliance è un'associazione no-profit che definisce e implementa il protocollo LoRaWAN. Attualmente non esiste un protocollo dominante o standardizzato per le reti LPWA e questa alleanza cerca di cambiare questa situazione. Alcuni grandi nomi della tecnologia sono membri della LoRa Alliance, tra cui Alibaba, Cisco, IBM, Charter Communications e SoftBank.
Il protocollo LoRaWAN è uno standard aperto, anche se attualmente solo un'azienda produce chip che utilizzano il protocollo. IT è progettato per utilizzare una topologia a stella di stelle. I dispositivi si collegano ai gateway e questi ultimi si connettono in modo tradizionale su reti IPS regolarmente connesse.
Il protocollo definisce tre tipi di classi. La classe A utilizza la potenza più bassa e deve essere supportata da tutti i dispositivi LoRaWAN. I dispositivi di classe A sono asincroni e la comunicazione ha sempre origine dal dispositivo finale. Dopo l'invio dell'uplink, si apre una breve finestra in cui è possibile inviare le risposte, creando la possibilità di comunicazioni bidirezionali. Oltre alle connessioni avviate dall'endpoint, i dispositivi di Classe B si sincronizzano con segnali periodici o beacon. Queste sincronizzazioni creano finestre di ascolto durante le quali il dispositivo può ricevere segnali o comandi, creando una vera e propria comunicazione bidirezionale. La classe C punta a mantenere sempre aperto un ricevitore sul dispositivo finale. Questo offre un canale di comunicazione bidirezionale a bassa latenza. Tuttavia, questo aumenta significativamente il consumo di energia, tanto che questa classe è adatta solo quando è disponibile un'alimentazione continua.
Sigfox, una rete LPWA proprietaria offerta da un'azienda francese, è attualmente una delle reti LPWA più grandi. IT utilizza una frequenza senza licenza nelle bande 868 MHz o 902 MHz. Caratterizzata da una trasmissione radio a banda ultra stretta, offre una copertura a lunga distanza, ma con una bassa velocità di trasferimento dei dati. Ogni messaggio ha una larghezza di 100 Hz e una velocità di trasferimento di 100 o 600 bit al secondo, a seconda della regione. La comunicazione di ritorno al dispositivo è limitata, il che la rende una scelta inadeguata per le applicazioni che richiedono comunicazioni bidirezionali. Ogni messaggio di uplink ha un carico massimo di 12 byte.
Nelle aree rurali, può teoricamente comunicare su distanze fino a oltre 30 miglia, utilizzando un'architettura di tipo rete a stella in cui qualsiasi trasmissione può essere ricevuta da qualsiasi stazione base nel raggio d'azione. A differenza dei protocolli aperti, l'unico modo per ottenere e utilizzare Sigfox è attraverso l'azienda.
Con una portata di 3-6,5 miglia (non in linea d'aria), Ingenu offre una tecnologia chiamata Random Phase Multiple Access (RPMA). Questo ampio raggio di copertura consente all'azienda di coprire l'area di Dallas/Fort Worth con sole 17 torri di rete. Secondo l'azienda, RPMA è in grado di penetrare nel cemento e di connettersi anche con dispositivi sotterranei.
Questa tecnologia opera nello spettro dei 2,4 GHz, il che può causare interferenze da parte di altri dispositivi che utilizzano lo stesso spettro, come WiFi, Bluetooth e vecchi telefoni wireless. Tuttavia, il lato positivo è che lo spettro a 2,4 GHz è aperto all'uso in molti paesi diversi, rendendo un singolo tipo di segnale radio utilizzabile in tutto il mondo.
Un comunicato stampa del 2017 dichiara la copertura di 29 Paesi in sei diversi continenti.
LTE-M è una tecnologia cellulare 4G. Questo standard è stato pubblicato dal 3rd Generation Partnership Project (3GPP) nella sua specifica Release 13. In genere, i dispositivi cellulari non sono a basso consumo, come ben sa chi deve ricaricare costantemente il proprio cellulare. Per creare la parte "a basso consumo" della promessa LPWA, questi chip wireless 4G specializzati sono progettati con una modalità di risparmio energetico. Il chip è essenzialmente spento per la maggior parte del tempo e si sveglia solo a intervalli predeterminati. Inoltre, i chip sono half-duplex, quindi consumano meno energia anche quando sono accesi, ma sono molto più lenti di una connessione 4G tradizionale. La velocità massima di trasmissione dati è di circa 100 kbit/s. Questa versione di LPWA offre una connettività a basso consumo, ma solo dove è possibile ottenere una connessione LTE. La preoccupazione per le tecnologie cellulari di questo tipo è la loro tendenza a essere abbandonate dai vettori più velocemente di quanto i dispositivi lascino il campo. Ad esempio, è improbabile che i dispositivi che si basano su una connessione 2G funzionino quasi ovunque negli Stati Uniti, dove tali reti sono state disattivate e aggiornate.
Aziende come IBM sono notevolmente assenti dalla Task Force LTE-M che sta lavorando a questo standard. Tuttavia, la Task Force LTE-M include molti dei carrier cellulari del mondo, compresi i quattro principali carrier statunitensi - Verizon, AT&T, Sprint e T-Mobile - e diversi produttori di chip come Qualcomm.
NB-IoT è l'acronimo di Narrowband Internet of Things. Anche NB-IoT deriva dalle specifiche 3GPP Release 13 ed è talvolta noto come CAT M2. IT utilizza la modulazione DSSS per le comunicazioni. NB-IoT offre una velocità di download di picco di 250 kbit/s e una velocità di uplink di 250 kbit/s con tono multiplo o 20 kbit/s con tono singolo. I dispositivi NB-IoT possono avere una durata della batteria di 10 anni.
NB-IoT utilizza un nuovo livello fisico e nuovi segnali. Di conseguenza, può coesistere con le apparecchiature delle reti 2G, 3G e 4G. Tra gli operatori che stanno attualmente implementando reti NB-IoT figurano China Mobile, China Telecom, Deutsche Telekom e altri.
Un recente articolo suggerisce che questo standard potrebbe prendere slancio quando Ericsson lancerà una rete NB-IoT in India.
Al di fuori degli Stati Uniti, molte reti cellulari utilizzano il protocollo GSM. Analogamente a come il protocollo LTE-M utilizza la rete LTE esistente a basso consumo, il protocollo Extended Coverage-GSM-IoT (EC-GSM-IoT) mira a sfruttare le reti GSM esistenti in tutto il mondo. Molti casi d'uso possono supportare una durata della batteria fino a 10 anni.
Essendo un protocollo basato su GSM, può coesistere con le reti 2G, 3G e 4G.
Weightless è uno standard aperto che opera nello spettro senza licenza. Ciò lo rende indipendente dai vettori e dai fornitori di hardware, ma anche meno commerciale. Esistono tre tipi di Weightless. Weightless-W utilizza le frequenze senza licenza tra le frequenze delle stazioni TV. Weightless-N utilizza il protocollo a banda stretta senza licenza. Weightless-P utilizza la banda stretta a 12,5 kHz e offre comunicazioni bidirezionali.
Interessante proposta di Haystack Technologies, DASH7 è stato progettato per collegare gli oggetti in movimento. DASH7 utilizza la frequenza di 433 MHz. Consente una portata compresa tra 200 metri e 2 km, a seconda della posizione e delle altre interferenze. La durata della batteria di DASH7 si misura in anni per la maggior parte dei casi d'uso, ma l'azienda fa notare che può anche raccogliere energia dalle celle solari.
Per quanto riguarda la sicurezza, DASH7 supporta l'occultamento dei dispositivi per nasconderli dagli scanner e la crittografia AES 128 con chiave pubblica.
Altre tecnologie LPWA sono in varie fasi di sviluppo o di lancio. È probabile che altre tecnologie continueranno a svilupparsi fino a quando non emergerà un gruppo di operatori dominanti o non verranno unificate le specifiche standard. Alcune delle altre tecnologie includono:
I recenti problemi di sicurezza IoT hanno fatto notizia. Ad esempio, l'attacco Mirai ha cercato di ottenere l'accesso ai dispositivi finali. Tali attacchi potrebbero essere meno utili su molti dispositivi IoT che utilizzano LPWA a causa della larghezza di banda inferiore e del fatto che i dispositivi connessi potrebbero non essere abbastanza "intelligenti" da essere utili a un hacker. Tuttavia, gli attacchi man-in-the-middle sono possibili su molte reti LPWA. Il potenziale di abuso è meno spettacolare, ma altrettanto importante. Una possibilità è quella di spiare i concorrenti ricevendo i rapporti dei loro dispositivi e, a differenza dell'hacking tradizionale, poiché questi segnali vengono trasmessi in aria, non ci sarebbe modo di sapere che le comunicazioni sono state compromesse.
Un problema è che spesso i dispositivi finali non sono in grado di fornire la propria crittografia. Un hash condiviso potrebbe essere una buona soluzione, ma molte reti richiedono pacchetti di dimensioni troppo piccole per implementare un hash sufficientemente lungo per garantire una sicurezza continua. Ad esempio, la tecnologia LPWA di Sigfox offre solo una firma digitale a 16 bit, molto al di sotto dello standard industriale di 128 bit. LoRaWAN, invece, offre crittografia e autenticazione AES a 128 bit.
Le tecnologie basate su cellulari, come LTE-M, NB-IOT e EC-GSM-IoT, si appoggiano all'autenticazione della rete esistente.
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Le possibilità di utilizzo delle reti LPWA sono molteplici, ma alcuni concetti sono più consolidati di altri.
Esistono molte applicazioni nel campo della gestione dei parcheggi. Un sensore posto all'interno o in prossimità di un parcheggio può riferire se il posto è occupato o meno. I dati possono essere utilizzati per alimentare numerose applicazioni, tra cui cartelli che mostrano quanti posti auto sono disponibili in un garage. Oppure in applicazioni che mostrano dove ci sono parcometri aperti e interfacce che segnalano a una città dove un'auto è rimasta parcheggiata a un parcometro per troppo tempo. In queste applicazioni, la bassa potenza è più importante della lunga distanza delle reti LPWA. Nessuno vuole assumersi l'onere di cambiare le batterie di centinaia o addirittura migliaia di monitor per i parcheggi.
Un semplice misuratore di pressione che comunica la sua lettura attuale può aiutare a individuare una perdita prima ancora che venga segnalata. Per le condutture che si estendono per chilometri, la capacità di comunicare su lunghe distanze senza una rete esistente è fondamentale e la durata delle batterie deve essere misurata in anni. In città, lo stesso segnale che fornisce comunicazioni a lunga distanza in un ambiente rurale può invece fornire comunicazioni sotterranee, consentendo il monitoraggio delle condutture sepolte sotto la città.
La tracciabilità delle spedizioni richiede in genere che il carico venga scansionato in ogni punto in cui passa di mano. Tra un cambio e l'altro, si presume semplicemente che il carico si trovi ancora nella stessa build o, se in movimento, nello stesso camion o treno. Con un pallet intelligente, un ping può aggiornare continuamente non solo la posizione, ma anche se il contenitore è stato aperto, lasciato cadere o altrimenti maneggiato male. L'LPWA è necessario sia per le comunicazioni a lunga distanza mentre la spedizione è in movimento tra le città, sia per la lunga durata della batteria, perché nessuno vuole trovare e cambiare le batterie sui pallet spostati di frequente.
Ci sono decine di migliaia di luci che brillano sui marciapiedi dei quartieri, sugli incroci trafficati e sui tratti autostradali solitari. Al giorno d'oggi, il monitoraggio spesso non consiste in nulla di più che in una telefonata di qualcuno che se ne accorge. Con l'LPWA, queste luci possono comunicare a un centro di comando centrale se la lampadina sta funzionando o se la luce è attualmente accesa, consentendo potenzialmente un migliore utilizzo dell'energia e una maggiore sicurezza.
Altri usi includono i contatori intelligenti (domestici e commerciali), nonché l'agricoltura intelligente e i sensori di fabbriche e magazzini.
PRTG Network Monitor è un software di monitoraggio di rete completo e tiene traccia dell'intera infrastruttura IT.
Il mercato delle reti LPWA offre diverse scelte. Alcuni vedono questa situazione come una frammentazione, mentre altri la vedono come un mercato in cui le offerte possono essere scelte in base a ciò che è meglio per ogni particolare progetto. Per il momento, sebbene la domanda di LPWA sia in crescita, non è disponibile una soluzione unica per tutti.
