La continua evoluzione delle reti mobili a banda larga e delle tecnologie ad esse collegate è critica per far fronte alla domanda crescente di connettività e di banda. È ugualmente importante incorporare funzionalità e meccanismi per monetizzare la rete allo scopo di sostenere investimenti continui.
Considerando i servizi attualmente introdotti, il mercato delle applicazioni mobili consumer a larga banda basate sulla tecnologia Lte si sta avvicinando alla maturità e alla saturazione da un punto di vista dei profitti. Puntare a nuove applicazioni, nuovi casi d’uso e nuovi mercati è un imperativo per spianare la strada all’industria, che si accinge a porre le basi per l’adozione del 5G nel 2020.
Internet delle Cose sta emergendo quale importante applicazione in espansione che porta con sé la risposta a questa ricerca. L’IoT è oggi una realtà, con i principali operatori che registrano milioni di dispositivi connessi all’interno delle proprie reti. I protocolli proprietari a bassa potenza e a lungo raggio stanno dominando il mercato delle soluzioni per la connettività IoT, mentre il 3Gpp è in competizione con diverse tecnologie, proposte allo scopo di giungere a protocolli commerciali per l’IoT corrispondenti alla versione 13 dello standard. L’ecosistema per l’IoT che sta rapidamente emergendo presenta potenzialmente soluzioni per realizzare nodi utente con una durata della batteria superiore ai 10 anni. Si prevede che nel giro dei prossimi 3-5 anni sarà introdotto un grande numero di reti e di servizi IoT. Allo scopo di monetizzare queste reti IoT, gli operatori, esistenti o nuovi, devono affrontare con successo tre aspetti chiave. In primo luogo, gli operatori devono poter accettare l’esistenza di protocolli di connettività IoT di tipo sia proprietario, sia standard, e prepararsi per supportare le reti IoT ibride. In secondo luogo, un’attenzione verso la connettività non sarà sufficiente a monetizzare le reti IoT. Saranno necessarie analisi complete dei dati allo scopo di elaborare i dati raccolti da milioni di dispositivi connessi per stimolare nuove applicazioni e casi d’uso. La sicurezza e l’affidabilità delle reti IoT costituisce il terzo aspetto che è critico per la commercializzazione e per una più ampia adozione della tecnologia. Porte gateway e unità hub programmabili e flessibili per l’IoT, in grado di supportare più protocolli radio, la raccolta/distribuzione intelligente dei dati fra il cloud e i dispositivi connessi, e la garanzia di avere connessioni sicure e aggiornate, giocheranno un ruolo cruciale nel risolvere questi aspetti.
Standard e tecnologie
L’IoT richiede la comunicazione a bassa potenza e su lungo raggio, la connettività asimmetrica e asincrona a bassa velocità dati e la disponibilità di nodi utente a basso costo con una lunga durata della batteria (oltre 10 anni). Le caratteristiche della connettività e dei dispositivi per l’IoT varieranno prevedibilmente in base ai mercati finali e alle applicazioni. I forum industriali per il 5G hanno classificato l’IoT in due vasti casi d’uso: la comunicazione macchina-macchina massiva a bassi livelli di energia e la comunicazione tra macchine a bassa latenza per funzioni critiche. La comunicazione da macchina a macchina è prevista essere una parte integrale per entrambi questi casi d’uso. Un esempio di comunicazione massiva a bassa energia fra macchine è dato da una rete di sensori e di attuatori connessi, che porteranno potenzialmente a livelli significativi produttività e di efficienza in settori quali la sanità, i trasporti, l’agricoltura, l’industria alimentare, la gestione delle acque e dell’energia, le abitazioni e gli edifici intelligenti. I gadget indossabili connessi costituiscono una parte integrante di questo scenario di casi d’uso, e mantengono la promessa di migliorare ogni aspetto delle nostre vite. Il costo di un dispositivo, la durata della batteria, la facilità d’uso e la comunicazione asincrona efficiente sono i requisiti chiave per la comunicazione fra macchina e macchina a bassa energia di tipo massivo. Le velocità dati tipiche per ciascun nodo IoT sono di circa 100 Kbps. IoT industriale, applicazioni automotive, reti intelligenti di energia, sicurezza del traffico e servizi di risposta alle emergenze sono alcuni degli esempi di tipi di comunicazione a bassa latenza fra macchine. Affidabilità, resilienza e bassa latenza sono aspetti critici per questo segmento applicativo. Le velocità dati tipiche sono nell’intervallo compreso fra 100 Kbps e 1 Mbps. L’IoT industriale interesserà più mercati verticali all’interno delle reti mobili a banda larga, schiudendo nuove e solide fonti di profitto per gli operatori.
Per le applicazioni dell’IoT esistono oggi delle tecnologie proprietarie di reti geografiche a bassa potenza come LoRa, SigFox, Ingenu, Starfish e Weightless. Queste tecnologie usano bande non soggette a licenza. Stanno emergendo come soluzioni di connettività radio di tipo V2X (Vehicle to Everything) per le applicazioni automotive, le comunicazioni dedicate su corto raggio, come sono note negli Stati Uniti, e i sistemi cooperativi di trasporto intelligente, come sono chiamati altrove. Questa tecnologia è ottimizzata principalmente per le applicazioni per la sicurezza. Le comunicazioni Dsrc fanno uso di una banda attorno a 75 MHz, di sette canali da 10 MHz in uno spettro di frequenze soggetto a licenze attorno a 5,9 GHz. Lte offre una buona infrastruttura per armonizzare le tecnologie proprietarie e gli standard armonizzati per fornire portata, facilità d’uso e di manutenzione. Lte-M, estensione di Lte per le comunicazioni da macchina a macchina, come parte della Versione 12 dello standard 3Gpp per le reti di accesso radio, Lte a banda stretta, come parte della Versione 13 dello standard 3Gpp Ran, e il Gsm con copertura estesa, come parte della Versione 13 dello standard per le reti di accesso radio di tipo Gsm Edge, sono tecnologie basate su standard che useranno lo spettro di frequenze soggette a licenza.
Un ruolo strategico per i gateway IoT
I gateway IoT programmabili e flessibili, o le unità hub distribuite lungo la rete giocheranno un ruolo strategico. Per supportare le tecnologie ibride, i gateway IoT dovranno supportare più protocolli radio in relazione al punto di installazione o al tipo di servizio. La flessibilità del sistema e la velocità con cui è possibile armonizzare le tecnologie proprietarie esistenti e gli standard in evoluzione costituiscono degli aspetti critici per realizzare le economie di scala all’interno dell’ecosistema, allo scopo di incoraggiarne una più ampia commercializzazione. In questi gateway sarebbero necessari non solo la raccolta/disseminazione di dati intelligenti fra il Cloud e i dispositivi connessi, ma anche l’esecuzione di funzioni opzionali. Per molte applicazioni IoT, i dati potrebbero essere specifici per una locazione e potrebbero essere significativi solo per una durata limitata. In molti casi, i vincoli di latenza dell’applicazione richiederanno l’elaborazione distribuita dei dati. Per ovviare ai requisiti di bassa latenza, l’elaborazione remota e l’archiviazione dei dati a livello locale potrebbero essere requisiti essenziali nei gateway IoT. In questi ultimi saranno anche necessarie delle funzioni di sistema verso le connessioni sicure, i dispositivi connessi e il Cloud. Oltre ad eliminare le criticità a livello di sistema, i gateway IoT possono fungere come banchi di prova per far girare sistemi di collaudo per nuove applicazioni e casi d’uso delle reti IoT. Anziché attendere la disponibilità di soluzioni ottimali o di un ecosistema completo, gli operatori possono usare questi banchi di prova per lavorare a stretto contatto con la filiera produttiva e definire i requisiti di sistema. Questi casi di studio sperimentali ragionevolmente ben definiti, e i risultati pratici ad essi associati, possono aiutare ad indirizzare verso soluzioni ottimali e verso un’evoluzione della rete che massimizzi il potenziale di profitto latente dell’IoT. Un gateway IoT dotato di una potenza di calcolo sufficiente può anche stimolare l’infrastruttura per lo sviluppo di standard open source nell’industria e per la creazione di una comunità di sviluppo. Inoltre, il supporto alla radio Lte a banda larga potrebbe migliorare i servizi integrati per applicazioni quali il controllo delle case intelligenti attraverso uno smartphone, o la connettività mobile a banda larga nei veicoli e per i passeggeri.
Una soluzione per soddisfare i requisiti
Gli Fpga e i SoC Interamente Programmabili offrono una buona soluzione per soddisfare i requisiti sfidanti dei gateway IoT e delle piattaforme di collaudo dell’IoT, realizzate per provare diversi protocolli radio in base alle necessità, con la flessibilità intrinseca necessaria per adattarsi agli standard in evoluzione, per effettuare l’elaborazione remota e per ottenere connessioni sicure. Usando una piattaforma MPSoC Zynq UltraScale+ da 16 mm di Xilinx è possibile realizzare un gateway IoT programmabile e flessibile. La piattaforma prevede un’unità quad-core Arm Cortex-A53 che opera fino a 1,5 GHz, di un’unità di elaborazione dual-core in tempo reale Arm Cortex-R5, di periferiche integrate e di blocchi per la connettività, unite a funzioni incorporate per la sicurezza, la protezione dei dati e l’affidabilità. La piattaforma è dotata di una ricca matrice programmabile per dare spazio a più piattaforme di tecnologie radio, assieme alla dorsale e alla connettività di memoria locale. È possibile usare i blocchi di proprietà intellettuale di Xilinx per la banda base, per le interfacce radio, per le funzioni Dsp di base e per la connettività, in combinazione con il ricco ecosistema software di Arm, per realizzare un’infrastruttura flessibile e ampliabile di sviluppo di applicazioni per gateway IoT. La flessibilità e la programmabilità intrinseca della matrice Fpga consente di effettuare gli aggiornamenti della soluzione radio in modo semplice, indipendentemente dallo strato applicativo che risiede sul processore integrato.
La standardizzazione su piattaforme di questo tipo, la spinta verso la creazione di un’infrastruttura per lo sviluppo di applicazioni basate su standard industriali di tipo open source e l’esecuzione di casi di studio pilota, costituiscono fasi essenziali per dare vita allo sviluppo e all’introduzione di nuovi servizi basati sull’IoT.
