Il futuro dei moduli wireless

La tecnologia wireless sta subendo cambiamenti enormi. Il mercato dei cellulari sta passando da 3G a LTE, LTE Advanced e LTE Advanced Pro per migliorare le velocità di trasmissione dati e ridurre i consumi, al contempo mettendosi alla ricerca della prossima generazione di tecnologia 5G. Questo porterà a molte altre bande a frequenze più alte per ottenere velocità dati ancora maggiori. Questa tendenza coinvolgerà anche altre tecnologie attualmente usate in bande di frequenza senza licenza come il Wi-Fi.

Allo stesso tempo, operatori e sviluppatori stanno guardando ai progressi del wireless dei cellulari per offrire collegamenti wireless affidabili e a basso costo per l'Internet delle cose (IoT). Per queste applicazioni, il fattore trainante è rappresentato dal consumo energetico e dalla durata della batteria; attualmente stanno poi emergendo soluzioni a banda stretta. Accanto a tutto ciò, anche le più recenti evoluzioni degli standard Bluetooth e ZigBee stanno guardando alle applicazioni IoT. Bluetooth 5 promette portate maggiori e velocità dei dati superiori con minore consumo energetico, mentre ZigBee 3.0 abbassa il consumo energetico delle reti a maglie.

Tutto questo può mettere in serie difficoltà i progettisti. La scelta del protocollo wireless per applicazioni globali a basso costo e a basso consumo può essere complessa e non particolarmente stabile.

Uno dei modi in cui i produttori di moduli stanno cercando di affrontare questa sfida è quello di un formato di ingombro comune. Sierra Wireless, ad esempio, ha deliberatamente adottato l'approccio del modulo per tutti i suoi sviluppi wireless. La gamma di moduli embedded 2G, 3G e 4G della famiglia AirPrime HL offre tutto ciò di cui i produttori di dispositivi hanno bisogno per far fronte ai requisiti essenziali di connettività. Con un fattore di forma comune per tutte le varie tecnologie cellulari, piccole dimensioni, basso consumo energetico e migliori prestazioni RF, vi sono anche opzioni per la navigazione GNSS dai sistemi satellitari GPS statunitensi e GLONASS russi, come pure la copertura mondiale.

Figura 1: Un ingombro comune per i moduli wireless permette a ogni generazione della tecnologia di essere aggiunta facilmente a una scheda.

Con un solo disegno di PCB, i produttori di dispositivi possono integrare facilmente la connettività voce e dati in qualsiasi regione, in qualsiasi rete mobile wireless (Figura 1). Sierra ha pensato al fattore di forma anche per includere la possibilità di saldare il modulo per una produzione efficiente di alti volumi, oppure usando uno zoccolo a innesto nelle stesse piazzole di saldatura per garantire la flessibilità totale in fatto di prototipazione o per volumi più contenuti di produzione (Figura 2). Questo zoccolo inseribile a scatto permette ai produttori dei dispositivi di mettere o cambiare i moduli in qualsiasi punto dei cicli di produzione o di vita dei prodotti grazie all'ingombro comune.

Questa piedinatura comune sul fattore di forma offre la compatibilità in avanti e indietro tra le diverse varianti dei moduli 2G, 3G e 4G. Ciò significa che la posizione fisica dei pin offre la stessa funzione tra le serie. In più, la piedinatura della serie HL è compatibile con i processi applicativi della serie WP.

Figura 2: Uno zoccolo inseribile a scatto permette di testare qualsiasi modulo comune nei prototipi o di usarli in piccoli cicli di produzione.

Ma il futuro dei moduli wireless non riguarda solo l'hardware. Software e firmware sono una componente sempre più vitale del sistema. Il servizio Over-The-Air (OTA) basato su cloud AirVantage di Sierra permette agli utenti di collegare e gestire in modo semplice una flotta di macchine remote di qualsiasi dimensioni. Ciò consente di integrare i dati delle macchine in sistemi aziendali tramite strumenti di sviluppo e standard M2M aperti.

Sierra è a capo del gruppo di lavoro Eclipse IoT che sta sviluppando gli standard e fornisce API (Application Programming Interface) sul repository open-source Github che include un esempio Node.js per l'API AirVantage. Questo esempio usa l'API REST Airvantage in Clojure, un semplice client OAuth2 + JSon in Go per raccogliere l'elenco di gateway da AirVantage e modi per accedere all'API AirVantage da Ruby, PHP e Java, come pure uno script Shell agile e flessibile che permette l'interazione con l'API M2M Cloud AirVantage nella riga di comando.

Analogamente, il modem Skywire LTE CAT1 di NimbeLink è pensato per applicazioni di lunga durata, per cui deve tener conto delle tecnologie in cambiamento del wireless. Il modem usa le stesse piccole dimensioni della famiglia Skywire e l'interfaccia XBEE ed è compatibile con i kit di sviluppo e gli shield di microprocessore di NimbeLink per un'integrazione rapida e facile della connettività cellulare in un prodotto. L'uso di un'interfaccia standard di XBEE semplifica la migrazione verso altre tecnologie cellulari e permette di estendere la durata del prodotto man mano che giungono a maturazione nuove tecnologie.

Il mondo del cellulare è perfettamente consapevole della minaccia rappresentata da tecnologie senza licenza come Bluetooth, Wi-Fi e ZigBee; per questo sta lavorando al suo standard per bassa velocità dati. La release 13 della specifica 3GPP include lo standard Narrowband IoT (LTE Cat. NB1), che apre per la prima volta all'uso delle reti cellulari per IoT.

Ciò consente ai moduli cellulari di avere una durata della batteria tra 10 e 20 anni in applicazioni come quelle per edifici e città intelligenti, monitoraggio delle utility, elettrodomestici, gestione delle risorse e monitoraggio agricolo e ambientale. Le prove fatte con Vodafone, Deutsche Telekom e Huawei in applicazioni di parcheggio e di smart metering hanno avuto esiti positivi e hanno dimostrato che le reti NB-IoT operano in modo più efficiente rispetto al GPRS. Verso la fine del 2016 sono stati messi sul mercato moduli NB-IoT con velocità di picco di downlink fino a 227 kbps e velocità di uplink fino a 21 kbps, il che contiene i consumi e permette una durata della batteria tra i dieci e i venti anni. Il supporto simultaneo di tre bande RF significa che lo stesso modulo può essere usato nella maggior parte delle regioni geografiche.

Figura 3: I moduli Narrowband IoT saranno rilasciati a fine 2016 (Fonte: 3GPP)

NB-IoT offre una minore complessità dei dispositivi, un funzionamento a bassissimo consumo e supporto fino a un massimo di 150.000 dispositivi per singola cella cellulare. Fatto estremamente significativo, la tecnologia offre un miglioramento del bilancio di collegamento di 20 dB rispetto a GPRS per assicurare prestazioni eccellenti in condizioni di copertura scadente come ad esempio sottoterra o all'interno di edifici.

Tuttavia, anche la tecnologia wireless nella banda senza licenza continua ad evolversi. Bluetooth 5 promette una portata quattro volte quella delle versioni correnti, con due volte la larghezza di banda per creare un'IoT "senza connessione". Bluetooth 5 affronta alcune delle sfide che hanno impedito alle versioni precedenti di venire implementate nelle reti IoT.

La nuova tecnologia verrà rilasciata a fine 2016 o all'inizio del 2017 con moduli che assicurano portate molto maggiori, fino a quattro volte quelle odierne, puntando ai 50 metri, e velocità di 2 Mbit/s. L'estensione della portata porterà a connessioni IoT robuste e affidabili che trasformano in realtà l'impiego in tutta la casa, negli edifici e all'aperto, mentre le velocità maggiori invieranno i dati più rapidamente e ottimizzeranno la capacità di risposta.

Tuttavia, l'implementazione della tecnologia, sia nei chip che nei moduli, determinerà il consumo energetico complessivo e la durata della batteria.

Esistono poi anche dei progetti per ridurre ulteriormente la complessità di Internet delle cose da questi moduli hardware e offrire Smart Home as a Service (SHaaS). In tal modo si potrà eliminare il numero complessivo dei sensori richiesti, riducendo la ridondanza e la manutenzione dato che si potrebbe usare un solo sensore per una molteplicità di applicazioni. Ad esempio, si potrebbe usare un sensore di movimento in un sistema di sicurezza per controllare l'illuminazione, per gestire l'ambiente domestico, per controllare le opzioni di intrattenimento, per lo stile di vita della famiglia e, forse, anche per alimentare gli animali domestici.

Figura 4: Oltre agli standard RF disponibili a livello di comunicazione, la concorrenza è agguerrita anche sul fronte delle applicazioni.

Invece di dover costruire la vostra rete, SHaaS è una raccolta di servizi che analizza l'input dei sensori domestici intelligenti, impara come vive la famiglia e come viene usata la casa, per cui può prendere decisioni intelligenti per rendere le abitazioni ancora più confortevoli, più sicure e più efficienti dal punto di vista energetico.

Le informazioni che arrivano dai sensori disposti nella casa sono raccolte in modo wireless da un hub locale e trasmesse in modo sicuro a un servizio cloud intelligente che raccoglie e analizza i dati. Dopo l'installazione iniziale, bastano un paio di settimane al massimo perché l'algoritmo nel cloud accumuli una quantità di dati sufficiente affinché l'applicazione impari come la famiglia vive e possa inviare degli avvisi nel caso in cui si verifichi un evento imprevisto o vi siano dei cambiamenti sostanziali.

Tutti i vari servizi devono essere consolidati in un'unica interfaccia utente, in un pannello di comando di facile utilizzo, mentre il fornitore di servizi gestisce il supporto clienti, la fatturazione, la gestione degli abbonati, oltre agli aggiornamenti e ai cambiamenti di software e servizio.

La casa intelligente risulta così facile da usare, semplice da gestire ed efficiente nel garantire agli occupanti sicurezza, protezione e comfort; serve inoltre da prezioso generatore di reddito per i fornitori di servizi. Gli sviluppatori di dispositivi e di sistemi devono collaborare per sviluppare hardware, software e intelligenza Web per creare questo livello di servizio.

Conclusione

Il futuro dei moduli wireless è determinato in egual misura delle applicazioni e dalla tecnologia e il software sta svolgendo un ruolo sempre più importante in questa evoluzione. Nuovi standard hardware come NB-IoT stanno offrendo dei vantaggi che, anche grazie a un fattore di forma comune, stanno semplificando notevolmente la progettazione dei nodi wireless. La complessità si sposta allora sul software nel modulo, con aggiornamenti OTA e l'integrazione nelle applicazioni per creare mercati completamente nuovi come quello della Smart Home as a Service.