Si parla di IoT massivo (massive IoT) per le installazioni in cui un numero molto elevato di dispositivi piccoli, economici e a batteria si collega nella stessa area, e ognuno di essi invia di tanto in tanto pochi byte di dati. Si pensi a tutti i contatori dell’acqua di una città, a tutti gli stalli di sosta di un reticolo di strade o a tutti i cassonetti di un giro di raccolta. Il termine nasce dalla pianificazione del 5G nel settore della telefonia mobile, dove indica reti progettate per supportare un milione di dispositivi per chilometro quadrato.

Per le multiutility e per chi pianifica le città, la scala cambia ciò che va pianificato. Un sensore è facile. Quarantamila sensori sollevano domande sulla capacità radio, sulla durata delle batterie, su chi gestisce la rete e su come un piccolo team tenga traccia di quali dispositivi stanno ancora trasmettendo.

In breve

  • IoT massivo significa un numero enorme di dispositivi a basso consumo, ciascuno dei quali invia messaggi piccoli e poco frequenti, di solito con batterie pensate per durare molti anni.
  • Le opzioni cellulari sono NB-IoT e LTE-M, gestite dagli operatori mobili in spettro licenziato, ed è anche con queste che oggi il 5G copre l’IoT massivo.
  • Le tecnologie LPWAN come LoRaWAN e mioty usano spettro sub-GHz libero da licenza su reti che si possono gestire in proprio.
  • La radio determina capacità e durata delle batterie, mentre la gestione della flotta determina se il progetto funziona ancora al quinto anno.

Cosa sono i dispositivi IoT massivi?

I dispositivi IoT massivi condividono un profilo più che uno scopo. Sono fissi o si spostano lentamente. Trasmettono secondo una pianificazione: ogni 15 minuti, ogni ora o una volta al giorno. Ogni messaggio è minuscolo, spesso da 10 a 50 byte: una lettura del contatore, un livello di riempimento, una temperatura, uno stato aperto o chiuso. Tollerano i ritardi, perché nessuno ha bisogno dello stato di uno stallo di sosta entro 10 millisecondi. E funzionano con batterie che devono durare anni, perché mandare qualcuno a sostituire 40.000 batterie è un progetto a sé.

Esempi tipici sono i contatori di acqua, gas e calore, i sensori per stalli di sosta, i sensori di livello nei cassonetti, le sonde di umidità del suolo, i rilevatori di perdite negli edifici, le centraline della qualità dell’aria e i semplici tag per asset. Un videocitofono o una telecamera di sicurezza non rientrano in questo gruppo. Entrambi richiedono molta più banda ed energia di quanta una rete IoT massiva sia progettata per offrire.

I numeri mostrano perché il problema è il numero di trasmissioni e non la quantità di dati. Si prenda un’azienda idrica con 40.000 contatori, ognuno dei quali invia una lettura di 20 byte ogni ora:

  • 40.000 contatori × 24 letture = 960.000 messaggi al giorno
  • 960.000 messaggi × 20 byte ≈ 19 MB al giorno, meno di un breve video girato con lo smartphone

Il volume di dati è trascurabile. La difficoltà è che quasi un milione di brevi trasmissioni radio deve raggiungere un ricevitore senza collisioni reciproche, ogni contatore deve svegliarsi, trasmettere e tornare a dormire con un budget energetico molto limitato, e il back office deve distinguere un contatore silenzioso da uno guasto.

Distinguere i due casi è un compito della gestione della flotta. A questa scala i dispositivi si registrano a lotti, le loro chiavi di sicurezza si conservano in un posto più sicuro di un foglio di calcolo e si tengono d’occhio i dispositivi che smettono di trasmettere, perché da una scrivania una batteria scarica e una radio guasta appaiono identiche.

Chi confronta i migliori software di aggiornamento OTA per flotte IoT massive si scontra con una questione radio prima che con una questione software. Un aggiornamento firmware over-the-air significa trasferire decine o centinaia di kilobyte verso ogni dispositivo, e le reti a basso consumo sono costruite soprattutto per il traffico in salita. LoRaWAN, per esempio, dispone di specifiche della LoRa Alliance per la distribuzione del firmware in multicast e frammentata, ma su bande libere da licenza con limiti di duty cycle aggiornare migliaia di dispositivi può richiedere ore o giorni. LTE-M gestisce download più grandi con maggiore facilità. Molti produttori di dispositivi progettano semplicemente l’hardware per l’IoT massivo in modo che non abbia quasi mai bisogno di un aggiornamento.

Quali reti cellulari supportano l’IoT massivo?

Gli operatori mobili servono l’IoT massivo con due standard del 3GPP, l’organismo che redige le specifiche cellulari. Entrambi sono arrivati con la Release 13 del 3GPP, completata nel 2016.

NB-IoT (Narrowband IoT) usa un canale largo appena 180 kHz. È lento e pensato per payload molto piccoli, ma arriva in profondità all’interno degli edifici e sotto il livello del suolo, il che lo rende una scelta comune per i contatori. LTE-M, chiamato anche LTE Cat-M1, usa 1,4 MHz, offre velocità di trasmissione più elevate, continua a funzionare mentre un dispositivo passa da una cella all’altra e supporta persino la voce. Entrambi hanno due funzioni di risparmio energetico, PSM (power saving mode) ed eDRX (extended discontinuous reception), che permettono a un dispositivo di restare a lungo in sospensione rimanendo registrato sulla rete.

La strada cellulare ha punti di forza evidenti. L’operatore costruisce e mantiene la rete, la copertura spesso esiste già e lo spettro è licenziato, quindi nessun altro può trasmettervi. I compromessi sono altrettanto evidenti. Ogni dispositivo ha bisogno di un proprio abbonamento, la copertura dipende dal fatto che il proprio operatore abbia attivato NB-IoT o LTE-M nei punti in cui si troveranno i dispositivi, e il supporto al roaming tra Paesi varia.

L’altra famiglia è quella delle tecnologie LPWAN (low-power wide-area network) in spettro libero da licenza, soprattutto LoRaWAN e mioty. Qui si installano in proprio, oppure tramite un fornitore scelto, gateway o stazioni base, e i dispositivi non hanno bisogno di un abbonamento per dispositivo. Messe a confronto, le quattro si presentano così:

NB-IoT LTE-M LoRaWAN mioty
Spettro Licenziato, operatore Licenziato, operatore Sub-GHz libero da licenza Sub-GHz libero da licenza
Chi gestisce la rete Operatore mobile Operatore mobile In proprio o un fornitore In proprio o un fornitore
Abbonamento per dispositivo Sì Sì No No
Punto di forza Copertura in profondità negli edifici Mobilità, payload più grandi Ampio ecosistema di dispositivi Capacità, tolleranza alle interferenze
Organismo di standardizzazione 3GPP 3GPP LoRa Alliance ETSI

Nessuna delle due famiglie vince ovunque. Una multiutility che paga già un operatore per migliaia di connessioni valuta la scelta in modo diverso da una città che vuole possedere la propria infrastruttura radio per decenni.

Cos’è l’IoT massivo nel 5G?

Quando l’ITU, l’agenzia delle Nazioni Unite per le telecomunicazioni, ha definito i requisiti del 5G con il nome IMT-2020, ha individuato tre scenari d’uso. L’enhanced mobile broadband riguarda gli smartphone e i dati ad alta velocità. Le comunicazioni ultra-affidabili a bassa latenza riguardano applicazioni come il controllo industriale. Le massive machine-type communication, abbreviate in mMTC, riguardano un numero enorme di dispositivi semplici, e questo terzo scenario è l’IoT massivo. Il requisito minimo dell’ITU per questo scenario è una densità di connessione di 1.000.000 di dispositivi per chilometro quadrato.

Ciò che sorprende molti è che oggi l’IoT massivo nel 5G è per lo più NB-IoT e LTE-M. Il 3GPP li ha inclusi entrambi nella sua proposta per il 5G perché soddisfano i requisiti mMTC, e gli operatori possono gestirli accanto al 5G New Radio. Non esiste una radio 5G più recente per i sensori più economici. Il 5G RedCap (reduced capability), introdotto con la Release 17, punta a una fascia intermedia, come i dispositivi indossabili e le telecamere industriali che richiedono più banda di quella offerta da NB-IoT. La Release 19 ha avviato il lavoro sull’ambient IoT, rivolto a tag minuscoli che ricavano energia dall’ambiente circostante invece di avere una batteria, ma quel lavoro è in una fase iniziale.

Quando un fornitore parla di IoT massivo nel 5G, quindi, le domande utili da porre sono concrete. Quale radio usano effettivamente i dispositivi? Il proprio operatore la supporta nei punti in cui verranno installati i dispositivi, compresi scantinati e armadi dei contatori? Quanto costa un abbonamento per dispositivo all’anno, moltiplicato per il numero di anni in cui si prevede che i dispositivi restino in funzione?

Come gestisce mioty l’IoT massivo?

mioty è stato progettato fin dall’inizio per il caso ad alta densità e basso consumo. È una tecnologia LPWAN sviluppata dal Fraunhofer IIS e standardizzata da ETSI come TS 103 357, una specifica nota anche come TS-UNB (telegram splitting ultra-narrowband). In Europa trasmette nella banda a 868 MHz libera da licenza.

La sua idea centrale è il telegram splitting. Invece di inviare un messaggio in un’unica raffica, un dispositivo mioty lo suddivide in molti sottopacchetti brevissimi e li invia in momenti diversi su frequenze diverse. Un codice di correzione degli errori permette alla stazione base di ricostruire il messaggio anche quando va persa fino a metà di quelle raffiche. In una banda affollata questo conta: se un altro trasmettitore cancella alcune raffiche, il messaggio arriva comunque, e poiché ogni raffica è così breve, le collisioni tra migliaia di dispositivi diventano già in partenza meno probabili.

I valori di capacità pubblicati dal Fraunhofer IIS e dalla mioty Alliance arrivano fino a 110.000 endpoint per stazione base, con una portata di circa 2,5 km, e fino a 3,5 milioni di messaggi al giorno per stazione base, con payload piccoli inviati circa ogni ora. Sono valori di protocollo, e i risultati reali dipendono da territorio, edifici e intervalli di trasmissione. Rispetto all’esempio dei 40.000 contatori visto sopra, il budget di messaggi di una sola stazione base ha margine in abbondanza, il che significa che a guidare il progetto di una rete mioty è soprattutto la copertura.

Una stazione base da sola si limita a ricevere il segnale radio. Ha comunque bisogno di un service center, il nome che mioty dà al network server che gestisce gli endpoint e consegna le loro letture alle applicazioni. Con Kilo questo componente si può gestire in tre modi: ospitando in proprio il Kilo mioty Service Center open source; usando mioty con il network server integrato in Kilo Cloud, dove si aggiunge un connettore mioty, vi si collegano le proprie stazioni base e non c’è alcuna infrastruttura mioty da gestire; oppure, su richiesta, con l’edizione Enterprise, che Kilo concede in licenza e installa presso la propria sede.

Da lì, le letture mioty confluiscono nelle stesse dashboard e nelle stesse regole dei dispositivi LoRaWAN della stessa organizzazione. Per flotte delle dimensioni di un quartiere, un solo trigger di regola può monitorare fino a 500 dispositivi selezionati e li valuta ciascuno separatamente.

Domande frequenti sull’IoT massivo

Che differenza c’è tra IoT massivo e IoT critico?

L’IoT massivo punta su un numero enorme di dispositivi, costi bassi e lunga durata delle batterie, e accetta ritardi di qualche secondo o più. L’IoT critico sta all’estremo opposto: chirurgia a distanza, messaggi di sicurezza tra veicoli o robot strettamente sincronizzati, dove un messaggio deve arrivare entro pochi millisecondi e non fallire quasi mai. I due usano hardware diverso, funzioni di rete diverse e budget molto diversi.

LoRaWAN è considerato IoT massivo?

LoRaWAN non fa parte della definizione di 5G dell’ITU, che riguarda gli standard cellulari, ma serve la stessa categoria di dispositivi ed è ampiamente usato per la telelettura dei contatori, gli edifici e l’agricoltura. La maggior parte dei sensori LoRaWAN è costituita da dispositivi di Classe A, che restano in ascolto solo per una breve finestra subito dopo aver trasmesso. Questa abitudine è uno dei motivi principali per cui possono funzionare per anni con una batteria.

Quanto durano le batterie dei dispositivi IoT massivi?

L’obiettivo di progetto del 3GPP per NB-IoT e per le opzioni IoT cellulari studiate insieme a esso era fino a dieci anni di durata della batteria con una batteria da 5 Wh. La durata reale dipende da quanto spesso il dispositivo trasmette, da quanto dista dalla cella o dalla stazione base più vicina e dalla temperatura dell’ambiente in cui si trova. Un sensore che trasmette ogni 15 minuti dal fondo di uno scantinato consuma ogni giorno molta più energia di uno che trasmette una volta al giorno da un tetto.

L’IoT massivo ha bisogno del 5G?

No. Molti operatori hanno lanciato NB-IoT e LTE-M sulle proprie reti 4G anni prima del 5G, e le LPWAN non hanno bisogno di alcuna rete mobile. Per molte multiutility una scadenza più pressante è lo spegnimento delle reti 2G e 3G, che costringe i contatori connessi più vecchi a passare a tecnologie più recenti.

Cinque contatori emulati, creati a partire da preset di modelli di sensori reali, permettono di provare la parte operativa prima di acquistare una stazione base. Si portano le loro letture su un’unica dashboard e si imposta una regola che genera un allarme quando il consumo supera un limite a scelta; il piano gratuito di Kilo ha spazio esattamente per questo. Con Send once si invia una singola lettura fuori intervallo, così si vede arrivare l’allarme. Quando arriva l’hardware mioty o LoRaWAN reale, si collegano gli stessi dispositivi al connettore reale e si mantengono la dashboard e la regola già costruite.