I passi essenziali da compiere per avviare lo sviluppo e l’attivazione di nuovi servizi basati su Internet of Things includono la standardizzazione, in grado di stimolare un ambiente di sviluppo di applicazioni standard sul mercato di tipo open source e di avviare casi di studio pilota. Inoltre, l’evoluzione continua delle reti mobili a banda larga e delle tecnologie ed esse correlate è critica per rispondere alla domanda crescente di connettività e di banda. Ed è ugualmente importante allo scopo di incorporare funzionalità e meccanismi per monetizzare la rete e per sostenere i continui investimenti richiesti. Considerando i servizi già attivati, il mercato consumer legato alle soluzioni mobili a banda larga basato sulla tecnologia Lte si sta avvicinando alla maturità e alla saturazione da un punto di vista dei ricavi. Di conseguenza, è importante puntare a nuove applicazioni, casi d’uso e mercati, mentre l’industria si appresta ad adottare la tecnologia 5G nel 2020. In questo ambito, l’IoT sta emergendo come una delle principali aree di crescita che potrebbero offrire e la risposta a questa esigenza pressante. Non si tratta solo del futuro: l’IoT si sta ad oggi concretizzando con i principali operatori che registrano milioni di dispositivi connessi all’interno delle proprie reti. I protocolli proprietari su estensione geografica a basso consumo dominano il mercato, fornendo la connettività IoT, mentre nel 3Gpp è in corso un dibattito fra diverse proposte per giungere ad uno standard industriale per l’IoT nella Versione 13. L’ecosistema per l’IoT, che sta emergendo rapidamente, dispone di prodotti per realizzare nodi finali a basso costo di tipo IoT che possono assicurare una durata delle batterie di oltre dieci anni.
Monetizzare le reti IoT
Molte reti e servizi IoT saranno introdotti nel giro dei prossimi tre o cinque anni. Per monetizzare queste reti IoT gli operatori, siano esistenti o nuovi, devono poter gestire con successo tre aspetti chiave. Innanzitutto, gli operatori hanno esigenza di supportare soluzioni di connettività IoT di tipo sia proprietario, sia standard e di essere pronti a gestire le reti IoT ibride. In secondo luogo, concentrarsi solo sulla connettività non sarà sufficiente per monetizzare le reti IoT. Saranno necessarie analisi complete dei dati per elaborare i dati raccolti da milioni di dispositivi connessi per dare vita a nuove applicazioni e casi d’uso. La sicurezza e l’affidabilità delle reti IoT costituiscono il terzo aspetto critico per la commercializzazione e per un’adozione più ampia della tecnologia. I gateway IoT programmabili e flessibili o gli hub in grado di supportare più protocolli, la raccolta intelligente dei dati, la loro diffusione all’interno del cloud e fra i dispositivi connessi e le soluzioni in grado di assicurare connessioni aggiornate e sicure avranno un ruolo decisivo nel risolvere questi problemi.
I requisiti dell’Internet of Things
L’IoT richiede comunicazioni su corto raggio caratterizzate da basso consumo, connettività dati asincrona a bassa velocità, e nodi finali a basso costo con una durata della batteria di oltre dieci anni. Le caratteristiche di connettività dei dispositivi IoT varieranno con ogni probabilità in base ai mercati finali e alle applicazioni. I forum industriali sul 5G hanno classificato l’IoT in due principali casi d’uso: comunicazioni fra macchine massive e a bassa energia; e comunicazione fra macchine a ridotta latenza e ad elevata criticità. Le comunicazioni di tipo machine-to-machine sono previste come parte integrale di entrambi questi casi d’uso. Un esempio di comunicazioni fra macchine massive a bassa energia è dato da una rete di sensori e di attuatori connessi che possono fornire livelli significativi di produttività e di efficienza in settori quali la sanità, i trasporti, l’agricoltura, l’industria alimentare, la gestione dell’acqua e dell’energia, le abitazioni e gli edifici intelligenti. I gadget indossabili connessi costituiscono parte integrante di questo caso d’uso e promettono di migliorare ogni aspetto delle nostre vite. Il costo di un dispositivo, la durata delle batterie, la facilità di installazione e le comunicazioni asincrone efficienti sono requisiti chiave per le comunicazioni fra macchine massive a bassa energia. Le velocità tipiche di trasmissione dati sono dell’ordine di 100 kbps. Le applicazioni automotive, l’IoT industriale, le reti elettriche intelligenti, i servizi di intervento per la sicurezza del traffico e le emergenze costituiscono alcuni esempi di comunicazione fra macchine a bassa latenza. L’affidabilità, la resilienza e la bassa latenza sono componenti critici per questo segmento di mercato. Le velocità tipiche cadono nell’intervallo compreso fra 100 kbps e 1Mbps. L’IoT industriale porterà molti mercati verticali nell’alveo delle reti mobili a banda larga, schiudendo flussi di ricavi sostenuti per gli operatori.
Reti e gateway
Usando le bande non soggette a licenza, esistono oggi delle tecnologie proprietarie di rete su estensione geografica a basso consumo per installazioni IoT, come LoRa, SigFox, Ingenu, Starfish e Weightless. Per le applicazioni automotive, stanno emergendo le comunicazioni dedicate su corto raggio, come sono note negli Stati Uniti e i sistemi cooperativi di trasporto intelligente, come sono chiamati altrove, per fornire la connettività radio fra il veicolo e qualsiasi altro oggetto. Questo standard è pensato principalmente per le applicazioni per la sicurezza. La tecnologia Dsrc (Dedicated short-range communications) usa la banda attorno a 75 MHz, sette canali da 10 MHz in uno spettro attorno a 5,9GHz soggetto a licenza. Lte offre una buona infrastruttura per armonizzare le tecnologie proprietarie e gli standard frammentati, assicurando scalabilità, facilità di installazione e di manutenzione. Lte-M, un’estensione di Lte per le comunicazioni M2M, come parte della Versione 12 del protocollo 3Gpp Ran, Lte a banda stretta (NB-Lte) come parte della Versione 13 del protocollo 3Gpp Ran e il Gsm con copertura estesa (EC-Gsm) come parte della Versione 13 del protocollo Geran, sono tecnologie basate su standard che faranno uso dello spettro di frequenze soggette a licenze. I gateway IoT programmabili e flessibili o gli hub distribuiti lungo la rete, rivestiranno un ruolo fondamentale, come mostrato in Fig. 1. 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 e l’agilità del sistema in grado di armonizzare le tecnologie proprietarie esistenti e gli standard in evoluzione, saranno componenti critici per realizzare le economie di scala all’interno dell’ecosistema, allo scopo di incoraggiare una più ampia commercializzazione. Questi gateway non solo devono raccogliere e distribuire dati intelligenti fra il Cloud e i dispositivi connessi, ma devono anche eseguire funzioni di edge computing. In molte applicazioni IoT, i dati possono essere specifici di una locazione ed essere significativi solo per un breve periodo. Spesso, i vincoli legati alla latenza dell’applicazione richiederanno l’elaborazione distribuita dei dati. Le risorse di calcolo situate in prossimità dell’utente e la memoria locale potrebbero essere essenziali nei gateway IoT per rispondere ai requisiti di bassa latenza, e questi gateway richiederanno funzioni di sistema per la protezione dei collegamenti verso i dispositivi connessi e il Cloud. Oltre a risolvere problemi critici a livello di sistema, i gateway IoT possono agire come banchi di prova per far girare test di nuove applicazioni e casi d’uso relativi alle reti IoT. Anziché aspettare che diventino disponibili prodotti ottimali o un ecosistema completo, gli operatori possono usare questi banchi di prova per lavorare a stretto contatto con la filiera nella definizione dei requisiti di sistema. Questi casi di studio pilota ragionevolmente ben definiti e i risultati aziendali ad essi associati possono contribuire ad orientarsi verso metodi ottimali e a guidare l’evoluzione della rete, allo scopo di aumentare le entrate potenziali latenti nelle applicazioni IoT. Un gateway IoT con una potenza di calcolo sufficiente può anche stimolare la creazione di un ambiente di sviluppo di applicazioni basate su standard industriali e di una comunità di sviluppo. Inoltre, il supporto alla tecnologia radio Lte a banda larga potrebbe migliorare i servizi integrati per applicazioni quali gli smartphone in grado di controllare le case intelligenti o la connettività mobile a banda larga veicolare e dei passeggeri.
Fpga e SoC Interamente Programmabili
Gli Fpga e i SoC Interamente Programmabili offrono un buon modo per soddisfare i requisiti sfidanti dei gateway IoT e delle piattaforme di test per l’IoT. Essi possono aiutare a istanziare diverse interfacce radio in base alla necessità, con una flessibilità intrinseca per adattarsi agli standard in evoluzione, per supportare funzioni di calcolo in prossimità degli utenti e per rendere le connessioni sicure. La Fig. 2 mostra un diagramma a blocchi concettuale di un gateway IoT programmabile e flessibile che può essere realizzato usando la piattaforma MPSoC Zynq UltraScale+ da 16 nm di Xilinx. La piattaforma è dotata di un processore quad-core Arm Cortex-A53 che opera fino a 1,5 GHz, di un’unità di elaborazione in tempo reale Arm Cortex-R5, di periferiche integrate e di blocchi per la connettività, oltre che di funzioni avanzate integrate per la sicurezza e per l’affidabilità. Essa è dotata di una matrice programmabile ricca di funzioni, in grado di supportare più tecnologie radio, unitamente alla connettività con la dorsale e con la memoria locale.
