Introduzione

In questo primo articolo voglio parlarti della tecnologia NB-Iot (Narrow Band Iot), nome spesso abbreviato con NB-IoT. Si tratta di uno standard di comunicazione wireless che fa parte delle tecnologie radio ideate da 3GPP (3rd Generation Partnership Project) che ha rilasciato le ultime specifiche nel 2016. E’ stato sviluppato per abilitare una vasta gamma di dispositivi e servizi IoT, ha quindi delle caratteristiche tali da fornire connettività a tutti quei dispositivi che hanno un basso costo di produzione, un basso consumo energetico e una quantità limitata di informazioni da trasmettere. 

Se non lo sapessi per IoT, acronimo di Internet of Things (internet delle cose) si intende l'idea di connettere in rete dispositivi fisici della vita quotidiana, permettendo loro di raccogliere, scambiare, analizzare dati e comunicare tra loro. Questi dispositivi possono variare da oggetti di uso quotidiano come elettrodomestici, lampadine e termostati, a dispositivi più complessi come veicoli, sistemi di sicurezza e apparecchiature industriali.

Caratteristiche del NB-Iot

Le tecnologie di comunicazione wireless possono essere classificate secondo molti parametri ma ce ne sono due che ci permettono maggiormente di capire come si colloca il Narrow Band Iot: range di funzionamento e velocità di trasmissione.

NB-Iot rientra nella categoria LPWAN (Low Power Wide Area Network), ha un range di trasmissione elevato ma velocità di trasmissione ridotte, questo dipende dalle caratteristiche tecniche specifiche di questa tecnologia:

• Banda Stretta: Come suggerisce il nome, NB-IoT utilizza una banda di frequenza estremamente ridotta di 180-200kHz. Per confronto la banda utilizzata da LTE è 5-20MHz
• Copertura Estesa: Progettato per fornire una migliore copertura rispetto alle tecnologie cellular classiche che permette la comunicazione a distanze maggiori oppure con una maggior penetrazione all'interno degli edifici.
• Basso Consumo Energetico: La potenza di trasmissione di un terminale è di 20-23dBm confrontabile con quella LTE ma la modalità di comunicazione di pochi dati e non continuativamente permette una vita utile dei dispositivi Iot superiore ai 10 anni.
• Velocità di trasmissione:la velocità di trasmissione è di alcune decine di kbps sia in UL (uplink) sia in DL (downlink) con valori di picco pari a 250 kb/s in UL ed a 226,7 kb/s in DL. L’utilizzo di una banda così stretta infatti permette un’ottima copertura a fronte di un basso consumo energetico ma con una velocità di trasmissione molto bassa rispetto alle tecnologie cellular. Per confronto la velocità di trasmissione LTE è 326,4 Mbit/s in downlink e 86,4Mbit/s in uplink.
• Latenza:la latenza massima non è definita ma è solitamente inferiore ai 10 secondi.

Canale fisico e sistema di trasmissione

NB-Iot utilizza frequenze licenziate già esistenti della rete cellulare, allocate ai vari operatori com segue:

Le bande in cui avvengono le trasmissioni possono essere delle bande GSM dismesse (200kHz) oppure possono essere porzioni di banda LTE (180kHz).

Nel primo caso si parla di banda “standalone”, nel secondo caso si parla di “guard-band” o “in-band” a seconda se la parte di banda LTE dedicata alle trasmissioni NB-Iot è ai confini o all’interno della banda.

All’interno della portante/banda di guardia LTE la portante NB-Iot sostituisce una PRB (Physical Resource Block).

Vengono sfruttate le specifiche di trasmissione dello standard LTE, nello specifico vengono utilizzate 12 sottoportanti da 15 kHz in downlink con modulazione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e  12 sottoportanti da 3.75-15 kHz in uplink con modulazione SC-FDMA (single carrier frequency-division multiple access scheme).

Punti di forza

NB-Iot utilizza frequenze e specifiche di trasmissione tipiche della tecnologia LTE, ma due aspetti fondamentali giustificano la nascita di un protocollo specifico per applicazioni Iot:

• Migliore copertura
• Basso consumo energetico

La migliore copertura é data dalla larghezza di banda ridotta di 180kHz, infatti ogni nodo mantiene la stessa potenza in trasmissione del LTE ma essendo concentrata in un intervallo di frequenze ridotto aumenta la densità di potenza spettrale (PSD) che permette al nodo di raggiungere una distanza maggiore.

La migliore copertura si può misurare con MCL (Maximum coupling loss), questo valore indica la massima attenuazione che un dispositivo può sopportare rimanendo connesso. Nel caso di NB-Iot abbiamo un MCL di 164dbm, per confronto la copertura LTE è 144dBm.

La necessità di trasmettere un numero limitato di dati permette l'utilizzo di funzionalità specifiche per avere un basso consumo energetico:

1. eDRX (extended discontinuous reception) - il terminale non é continuativamente connesso alla rete perciò accende e spegne con una certa frequenza il ricevitore radio
2. PSM (power saving mode) - quando viene impostata questa modalitá con la rete, l'MNO conserva le informazioni sullo stato e il dispositivo anche se va in sleep rimane registrato sulla rete. Questo evita che alla riaccensione si debba ripetere la procedura di connessione che porta via un bel pó di energia.

Queste due funzioni possono essere utilizzate anche in combinazione tra loro per far si che un dispositivo iot possa avere una vita utile di almeno 10 anni.

Applicazioni

Da quando nel 2016 sono state congelate le specifiche tecniche questa tecnologia si é diffusa molto velocemente. Il motivo principale é la possibilità di utilizzare la stessa infrastruttura della rete cellulare LTE. Questo ha permesso alle società di telecomunicazione che forniscono la tecnologia cellulare di aggiungere un servizio ai clienti senza dover fare grandi investimenti sulla rete.

Sono sempre di più gli operatori telefonici da cui si possono acquistare sim M2M (machine to machine) per Narrow band Iot.

Ma vediamo quali possono essere le applicazioni pratiche:

Come progettare ed utilizzare un dispositivo connesso con tecnologia NB-Iot

Immaginiamo di voler realizzare una rete di sensori di temperatura a batteria, ogni sensore sarà utilizzato per monitorare una stanza di un grande ospedale. Questi dati devono poi essere consultabili da un pc da remoto.

Diamo per scontato la progettazione di centralina che faccia una misura di temperatura con alimentazione a batteria e concentriamoci solo su ciò che ci serve per la comunicazione.

Il modo più efficace per introdurre NB-Iot in un nostro progetto è quello di utilizzare un modem da pcb acquistato da un fornitore specializzato. Si può realizzare un pcb che al suo interno ha l’elettronica necessaria a misurare la temperatura ambiente e quella necessaria a far comunicare il modem. Sono necessarie competenze di progettazione hardware e software embedded.

Di seguito alcuni esempi di modem per NB-Iot con i link in cui trovate maggiori dettagli:

• UBlox LEXI-R520 module - link
• Quectel LPWA BC660K-GL NB2 - link
• Telit ML865G1 - link

I produttori di questi dispositivi forniscono datasheet e application note  in cui potete trovare tutte le informazioni necessarie per utilizzare i loro modem. Oltre a fornire le specifiche tecniche aggiungono esempi e formule per dimensionare il circuito elettrico e indicazioni su come sbrogliare il circuito stampato. 

Come detto precedentemente NB-Iot utilizza frequenze licenziate delle bande GSM/LTE perciò per rendere effettiva la comunicazione è necessario fare un contratto con un operatore di rete mobile (MNO) ed acquistare sim m2m. Ogni sensore avrá quindi il suo modem con la sua sim e potrá comunicare in rete. Molti operatori offrono agli utenti un APN (access point name) pubblico che viene fornito con un set di configurazioni di base per la connessione a Internet. L'APN pubblico ti offre una configurazione semplice che ti consente di accedere alla rete, ma non ti consente di personalizzare le impostazioni e le funzionalità di sicurezza di cui potresti aver bisogno per una distribuzione IoT. Se si vuole utilizzare degli indirizzi IP statici, limitare l'accesso in entrata ai dispositivi protetti da un firewall con una rete privata virtuale (VPN) e instradare il traffico attraverso un tunnel VPN è necessario un APN privato.

L’ultimo step è la realizzazione di un server Iot che riceve i dati dalla rete e ne permette l'utilizzo. Spesso questo server viene chiamato SAC (sistema di acquisizione centralizzato) poiché acquisisce dalla rete di dispositivi tutte le informazioni trasmesse.

Alcuni provider di rete mobile forniscono anche il SAC personalizzabile sulla base delle necessitá della propria applicazione.

Per permettere la comunicazione tra il server e i dispositivi è necessario stabilire e implementare un protocollo applicativo. Per applicazioni NB-Iot vi consiglio di valutare uno dei seguenti protocolli:

• MQTT
• CoAP
• LWM2M
• HTTP/HTTPS

In questa sezione ho voluto fare un esempio pratico per farvi capire quali sono tutte le cose da considerare per realizzare da zero una rete Iot basata su NB-Iot. Si tratta solo di spunti interessanti, per realizzare a livello professionale un progetto simile a questo sarà necessario un team con competenze nei seguenti ambiti: hardware, software embedded, applicazioni cloud, reti e sistemi.