In questo articolo, esamineremo alcune delle opzioni ad ampia area a bassa potenza più comunemente utilizzate, puntando sulle tecnologie cellulari (IoT a banda stretta e LT-M), così come quelli WPAN che utilizzano larghezza di banda senza licenza, LoRa/LoRaWAN, e SigFox. We’ll also figure out the differentiation between the technologies of LPWAN and WPAN. La tecnologia di trasmissione che utilizza frequenze più elevate può trasmettere più dati e velocità in bit più elevate rispetto alla radio a bassa frequenza. Le frequenze più alte richiederanno più potenza mentre la gamma di viaggio non è così lontana dalle frequenze più basse. Negli edifici, aree edificate, o aree con altre fonti di interferenza, la gamma è ancora più piccola. Qualsiasi frequenza in un appartamento, un'area aperta avrà una portata più ampia rispetto a un'area edificata a causa della minore interferenza. Dopo aver appreso questi fondamenti, we’ll also direct you on choosing the right technology for your application, tenendo conto della potenza disponibile, la quantità di dati che devi trasferire, e la portata che vuoi raggiungere.
Rete Internet delle cose basata su RF
Esistono molte soluzioni di comunicazione dei dispositivi IoT basate su RF nella rete. Per amore della discussione, li dividiamo in due categorie:
- Tecnologia a corto raggio, o tecnologie WPAN come Bluetooth, Wifi, Onda Z, e Zigbee, avere brevi distanze, che sono con bit rate alti o bassi ed è il potenziale per consumare più o meno energia.
- Lungo raggio, o tecnologia per aree geografiche a bassa potenza, ha un basso consumo energetico, lunga distanza, e bit rate basso.
Rete di area personale senza fili (WPAN)
La tecnologia WPAN ha una portata limitata, ma può essere esteso utilizzando la topologia mesh. La topologia mesh è un'implementazione di rete mediante la quale ogni dispositivo invia ripetutamente segnali ad altri dispositivi nelle vicinanze. Come il contenuto qui sotto, you’ll find that the main use cases for WPAN are those who don’t care much on range.
Wifi
Il Wi-Fi può funzionare a 2,4 GHz o 5 GHz. Perché queste frequenze sono più alte, Anche le velocità di trasmissione dati WIFI sono più elevate. Ogni dispositivo ha un 1:1 rapporto con il router di rete. Come abbiamo visto prima, il raggio di comunicazione sarà molto breve a causa dell'alta frequenza delle onde RF. I dispositivi Wi-Fi tradizionali hanno requisiti di alimentazione più elevati, il che significa che la maggior parte dei dispositivi disponibili deve essere alimentata dalla rete elettrica. Wifi 6 Il parametro mira a ridurre il consumo energetico dei dispositivi IoT Wi-Fi in modo che i dispositivi IoT possano utilizzare il Wi-Fi. però, there’s still a long way for devices using these new specifications to become easily accessible. WI-FI è l'ideale per le situazioni in cui è necessario trasferire istantaneamente dati di massa. Per esempio: attrezzatura fotografica che deve caricare video clip 4K.
Le soluzioni WI-FI si adattano alle seguenti applicazioni:
- Velocità dati elevate
- alta qualità del servizio (probabilità di passaggio del messaggio)
- Bassa latenza
Le soluzioni Wi-Fi non sono adatte per le seguenti applicazioni:
- gamma molto ampia tra dispositivi e router
- dispositivi alimentati a batteria
Bluetooth
Supporta più modalità Bluetooth. La modalità più rilevante per l'Internet delle cose è Bluetooth Low Power (DIVENNERO). BLE funziona a 2,4 GHz, ma trasmette solo una piccola quantità di dati. Inoltre, utilizza anche la tecnologia di modulazione FHSS per contrastare le interferenze. BLE Bluetooth 4 implementa il trasferimento dati a 1Mbps. Bluetooth 5 porta fino a 2Mbps. La gamma BLE può essere aumentata da Bluetooth Mesh nel modo di passare messaggi tra i nodi, ma devi avere una grande quantità di nodi per rimanere connesso su un'ampia gamma di aree.
Le soluzioni BLE sono le più adatte per le applicazioni esigenti:
- Basso consumo energetico
- Servizio di alta qualità
- Bassa latenza
- Usa la griglia Bluetooth per la portata media
Le soluzioni BLE non sono adatte per:
- Uso a lungo termine
Zigbee e Z-Wave
Zigbee funziona rispettivamente a 1000 MHz e 2,4 GHz. L'onda z opera a circa 900 MHz. Il segnale sarà meno influenzato dalle interferenze ed è più accessibile per superare gli ostacoli con frequenze più basse. Frequenze più basse si traducono in velocità di trasmissione dati inferiori. Mentre Z-Wave e Zigbee sono di portata ridotta, la portata complessiva della rete può essere estesa con più dispositivi in una griglia. Zigbee e Z-Wave sono ideali per dispositivi a basso consumo energetico che richiedono un servizio di alta qualità e piccole quantità di dati, Per esempio, interruttori della luce e sensori di temperatura nelle case.
Zigbee e Z-Wave sono più adatti per:
- Basso consumo energetico
- Servizio di alta qualità
- Bassa latenza
- Gamma flessibile di più dispositivi
Zigbee e Z-Wave non sono adatti per:
- Enormi quantità di dati
- Lungo raggio
Rete WAN a bassa potenza (LPWAN)
LPWAN le tecnologie possono soddisfare i requisiti delle reti a lunga distanza ea bassa potenza. Se la tua rete è necessaria per coprire lunghe distanze, oppure devi attraversare ostacoli come edifici, allora una soluzione per aree geografiche a bassa potenza è un'ottima opzione per te. La soluzione per aree geografiche a bassa potenza copre una gamma di frequenze tra bande con licenza e senza licenza. Nelle sezioni seguenti, discuteremo alcune delle tecnologie LPWAN più popolari.
Cellulare – la differenza tra LPWAN e WPAN
Le reti cellulari utilizzano bande con licenza, tipicamente nella gamma da 500 MHz a 4 GHz, sebbene la tecnologia 5G possa utilizzare frequenze più vicine a 100 GHz. Inizialmente, le reti cellulari sono nate per comunicazioni ad alta velocità di trasmissione dati, Per esempio, chiamate vocali in esecuzione a frequenze più elevate per trasportare volumi di dati maggiori. Maggiore è la frequenza, minore è la distanza, quindi ora ci sono standard di rete cellulare specifici per comunicazioni IoT a bassa frequenza per raggiungere distanze maggiori. Ci sono due specifiche cellulari chiave che dovrebbero essere prese in considerazione per le applicazioni IoT.
Entrambe le tecnologie rientrano nel 5G: l'IoT a banda stretta
- NB-IoT, a volte indicato come CAT-M2 o CAT-NB, è una categoria di comunicazione cellulare con una larghezza del canale di frequenza ridotta. NB-IoT utilizza entrambi meno energia di LTE-M con una distanza maggiore.
- LTE-M ha velocità di trasmissione dati più elevate e una latenza inferiore rispetto a nB-iot. LTE-M ha anche il vantaggio di abilitare la mobilità dei dispositivi rispetto a NB-IoT, quindi se il dispositivo si muove durante la trasmissione dei dati, può passare a un'altra stazione base. Le velocità dati sulle reti cellulari sono le più elevate tra le soluzioni per aree geografiche a bassa potenza, Così, la dimensione dei pacchetti che puoi inviare è stata aumentata.
Le frequenze delle soluzioni cellulari sono permissive, può ridurre le interferenze, e i messaggi possono essere inviati. Di conseguenza, la tecnologia cellulare offre un servizio di alta qualità e bassa latenza. Se il tuo caso d'uso richiede un'azione immediata, such as shutting off a gas valve at a long distance once there’s a leak, quindi puoi prendere in considerazione Cellular.
Le reti cellulari appartengono in genere a provider di rete mobile. Scegliendo una rete cellulare per la tua soluzione IoT, puoi sfruttare l'infrastruttura già esistente in base alla copertura della tua area di destinazione. tuttavia, le specifiche dell'IoT cellulare sono relativamente nuove,that’s why network providers are still setting up their systems as a support. Potresti anche scoprire che la copertura del tuo provider di rete è limitata e puoi scegliere l'una o l'altra specifica (IoT a banda stretta o LTE-M) per servire i tuoi clienti. (Nota: è improbabile che entrambi vengano implementati da un determinato provider di rete.)
Un caso d'uso adatto per l'implementazione dell'IoT cellulare è la misurazione elettrica:
- velocità dati elevate e lunghezza del carico utile
- alta qualità del servizio
- bassa latenza
Sigfox e LoRa
Sigfox e LoRa utilizzano bande senza licenza tra 433 MHz e 928 MHz per la trasmissione di segnali a bassa frequenza a lungo raggio. Come vedremo, queste tecnologie condividono alcune caratteristiche comuni. A differenza delle reti cellulari, Le reti LoRa e Sigfox utilizzano una topologia di rete a stella,il che significa che i messaggi broadcast possono essere ricevuti e consegnati al cloud da qualsiasi stazione base nell'ambito specifico. Ciò aumenta la possibilità che il segnale venga catturato quando il dispositivo si trova nell'intervallo esterno di più stazioni base. Sia Sigfox che LoRa possono coprire distanze maggiori e utilizzare meno energia rispetto a Cellular. Anziché, entrambi hanno velocità di trasferimento dati più lente e maggiori restrizioni sui dati e sulla frequenza. È possibile inviare una quantità maggiore di dati per messaggio, trasmettere più frequentemente con LoRa, e ottieni la massima portata potenziale con Sigfox.
Cosa hanno in comune Sigfox e LoRa:
- lungo raggio
- basso consumo energetico
Sigfox
Sigfox è stata fondata nel 2010, diventando la prima vasta area moderna a bassa potenza. Sigfox utilizza bande senza licenza a frequenze da 862 MHz a 928 MHz, e utilizza la modulazione a banda ultra stretta per inviare messaggi a 100 Hz di larghezza. Ciò significa che i dispositivi Sigfox trasmettono in canali casuali su un determinato intervallo operativo, può essere utile per ridurre la possibilità di interferenze di rumore di fondo. Sigfox può raggiungere la gamma massima di tutte le tecnologie che stiamo analizzando, ma si tradurrà in basse velocità di trasmissione dati a causa della banda stretta utilizzata. Perciò, una piccola quantità di dati deve essere trasmessa da ogni messaggio con meno di 12 byte.
Gli utenti Sigfox possono inviare non più di sei messaggi all'ora da un dispositivo al cloud (a monte) e non più di quattro messaggi al giorno dal cloud a un dispositivo (a valle). Queste limitazioni significano che Sigfox è l'ideale per applicazioni a bassa potenza che necessitano solo di comunicare pochi semplici valori al giorno.
Dovevi registrare la rete pubblica Sigfox ora. But it’s ok as, Sigfox ti consente di eseguire istanze private della tua rete offrendo la tecnologia PAN.
- Sigfox’s advantage: La gamma più ampia di tutte le opzioni per aree geografiche a bassa potenza.
LoRa utilizza bande di frequenza senza licenza comprese tra 433 MHz e 928 MHz in base alla regione, e utilizza uno schema di modulazione CSS proprietario per fornire dati su una larghezza di banda del canale più ampia con bande strette (125, 250 e 500 kHz), in questo modo, bassi livelli di rumore e capacità anti-jamming possono essere assicurati. Lo schema di modulazione può essere modificato modificando il fattore di diffusione per ottenere una maggiore distanza a scapito della potenza. LoRaWAN è un protocollo standard aperto che definisce la comunicazione tra gateway e dispositivi.
LoRa’s range is larger than Cellular, ma più piccolo di Sigfox. tuttavia, it’s flexible of packet size limits, e puoi trasferire più dati di quelli che puoi con Sigfox se la configurazione è corretta. La regione in cui ti trovi e la velocità dati che desideri supportare determinano la dimensione massima del pacchetto di un messaggio LoRa. Velocità dati più elevate significano intervalli più brevi perché le frequenze sono più elevate.
Molti provider di rete LoRaWAN pubblici sono sul mercato. Ma puoi anche configurare una rete privata utilizzando il tuo software e gateway.
Roller ha una varietà di operazioni:
- Classe A: richiede la minima potenza. Il dispositivo dorme per la maggior parte del tempo e si sveglia per inviare messaggi di uplink quando i valori del sensore cambiano. La finestra per la ricezione dei messaggi dal server (a valle) è molto limitato.
- Classe B: Richiede anche pochissima energia. Il dispositivo è inattivo per la maggior parte del tempo, ma può svegliarsi in tempo e riportare la lettura corrente quando la lettura del sensore cambia. La finestra per la ricezione dei messaggi dal server (a valle) è limitato.
- Classe C: Richiede più potenza rispetto ai dispositivi di classe A e B, ma il dispositivo ascolta sempre il downlink a meno che non trasmetta l'uplink. La flessibilità di queste operazioni multi-classe significa che LoRaWAN può servire una gamma più ampia di casi d'uso.
Vantaggi di LoRaWAN:
- Controlla la dimensione massima del pacchetto, che è superiore a Sigfox.
- Facile costruire una rete privata che sia conveniente.
- Flessibile, combinazioni di dispositivi con requisiti di alimentazione e ritardo diversi funzionano insieme.
Conclusione – la differenza tra LPWAN e WPAN
Le basse frequenze hanno una gamma più lunga mentre trasportano meno dati rispetto alle alte frequenze. Tecnologie WPAN come il Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee e Z-Wave hanno frequenze più alte e brevi distanze. Queste opzioni non sono ideali per scenari in cui la distanza è importante. Le tecnologie LPWAN sono in grado di raggiungere una portata maggiore e operare a frequenze inferiori rispetto alle tecnologie WPAN. Abbiamo stabilito che la corretta tecnica per aree geografiche a bassa potenza dipende dal tuo caso d'uso. Le tecnologie cellulari come NB-IoT e LTE-M sono ottime opzioni per scenari in cui la copertura cellulare e il servizio, bassa latenza e grandi quantità di dati sono più importanti dell'alimentazione perché è probabile che l'intervallo sia inferiore. Sigfox è adatto per situazioni in cui si hanno pochi dati e si desidera trasmetterli su lunghe distanze con un basso consumo energetico. LoRa consente il massimo controllo, capacità configurabile di inviare grandi volumi di dati semplicemente impostando reti private, e la classe C supporta una latenza inferiore.
