Appunti Sistemi di telecomunicazioni

INTERNET OF THINGS & WIRELESS SEN-

SOR NETWORK

Introduzione vasta rete di dispositivi interconnessi che co-

L'Internet of Things (IoT) rappresenta una

municano e scambiano dati attraverso Internet. La base di qualsiasi sistema IoT è la ca-

pacità di comunicazione tra dispositivi, che può avvenire attraverso connessioni cablate o wire-

less. Mentre le connessioni cablate offrono stabilità e alta velocità, le connessioni wireless come

Wi-Fi, Bluetooth e le tecnologie a lungo raggio stanno diventando sempre più prevalenti, grazie

alla loro maggiore flessibilità e alla capacità di operare su ampie aree senza vincoli fisici.

Machine-to-Machine

Nel contesto dell'IoT, la comunicazione tra macchine, nota come

(M2M), è fondamentale. M2M si riferisce all'interazione tra dispositivi senza l'intervento umano

si estende oltre M2M,

diretto. Tuttavia, l'IoT integrando dispositivi che non solo comunicano

tra loro ma anche con sistemi basati su cloud e applicazioni per analizzare e utilizzare i dati rac-

colti. La differenza principale tra M2M e IoT è che mentre M2M è spesso limitato alla comuni-

cazione tra dispositivi specifici per applicazioni industriali, l'IoT comprende una gamma più ampia

di dispositivi e applicazioni, inclusi quelli destinati ai consumatori e a contesti di smart cities e

smart homes.

Sensori e reti di sensori sensori,

Un aspetto cruciale dell'IoT è la gestione dei che sono dispositivi progettati per rac-

cogliere dati ambientali o operativi. I sensori possono avere diverse caratteristiche, inclusa la du-

rata della batteria e il consumo energetico. I sensori a lungo termine devono essere particolar-

mente efficienti dal punto di vista energetico, poiché spesso sono situati in luoghi difficili da rag-

energetica

giungere per la manutenzione. L'efficienza è essenziale per prolungare la vita op-

erativa dei sensori e ridurre i costi di manutenzione.

Nel contesto dell'IoT, le reti di sensori giocano un ruolo cruciale nella raccolta dei dati ambientali

e operativi. I sensori sono spesso implementati in configurazioni di rete che possono variare da

reti mesh

semplici architetture a stella, dove un master coordina diversi sensori, a più comp-

lesse, dove i sensori comunicano tra loro per ottimizzare la raccolta e la trasmissione dei dati. In

tutti i casi, la sfida principale è ridurre il consumo energetico, poiché l'energia per la trasmissione

dei pacchetti è generalmente superiore al consumo durante la trasmissione effettiva. Inoltre, la

fase di wake-up del sensore, necessaria per iniziare la comunicazione, può essere particolar-

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mente dispendiosa in termini di energia, rendendo fondamentale ottimizzare l'efficienza energeti-

ca.

Low Power Wide Area Networks LPWAN

Low Power Wide Area Networks (LPWAN)

Le sono una classe di tecnologie progettate per

soddisfare le esigenze di comunicazioni a lungo raggio con basso consumo energetico. Due

NB-IoT(Narrowband LoRa

tecnologie prominenti in questo ambito sono IoT) e (Long Range).

NB-IoT

NB-IoT, basato su standard ETSI, offre una copertura estesa e una comunicazione a basso con-

sumo energetico, ma è supportato principalmente da reti cellulari esistenti.

LoRa

LoRa lunghe distanze,

è una tecnologia di comunicazione wireless progettata per operare su

con un focus particolare sull'efficienza energetica. Questa tecnologia si distingue per la sua ca-

pacità di trasmettere dati su distanze che vanno da 2 a 15 chilometri in ambienti urbani e fino a

consumo energetico estremamente ridotto. La

50 chilometri in aree rurali, tutto con un

chiave del successo di LoRa risiede nella sua modulazione unica e nella struttura della

rete.

LoRa utilizza una banda di frequenze sub-GHz, solitamente tra 868 e 915 MHz a seconda della

regione, e opera su canali che sono ampiamente distanziati tra loro per evitare interferenze con

buona qualità del segnale

altre tecnologie. Questo permette a LoRa di mantenere una anche

su lunghe distanze e attraverso ostacoli ambientali come edifici e colline. Una delle caratteristiche

distintive di LoRa è la sua capacità di supportare una grande quantità di dispositivi in una singola

Figura 12.1 Posizione in banda LoRa

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rete, con una densità di dispositivi che può arrivare fino a diverse migliaia per ogni gateway Lo-

RaWAN. CSS

Dal punto di vista radio, LoRa sfrutta la modulazione per ottenere un'eccezionale portata e

penetrazione del segnale. La scelta della banda di frequenza, che tipicamente rientra nella banda

ISM (Industrial, Scientific, and Medical) di 868 MHz in Europa e 915 MHz negli Stati Uniti, con-

tribuisce a minimizzare le interferenze con altre tecnologie wireless, come i dispositivi Wi-Fi e

Bluetooth, che operano su frequenze diverse.

Inoltre, la larghezza di banda per i canali LoRa è significativamente più ampia rispetto ad altre

più dispositivi di trasmettere e ricevere segnali senza

tecnologie wireless, permettendo a

causare interferenze reciproche. Questo è particolarmente utile in applicazioni di rete a lun-

go raggio, dove è fondamentale garantire che i segnali possano viaggiare attraverso diverse

condizioni ambientali e con un numero elevato di dispositivi connessi.

Chirp Spread Spectrum CSS

Chirp Spread Spectrum (CSS),

La modulazione utilizzata da LoRa, è una tecnica innovativa

che gioca un ruolo fondamentale nella sua capacità di comunicare su lunghe distanze con una

bassa densità spettrale di potenza. CSS è progettata per aumentare la robustezza del segnale e

migliorare la capacità di penetrazione attraverso vari tipi di interferenze.

modulando un segnale con impulsi che variano in frequenza nel tempo.

CSS funziona seg-

Questo significa che, anziché mantenere una frequenza costante durante la trasmissione, il

nale LoRa "chirpa" o varia la sua frequenza in modo continuo. Questo cambiamento di

frequenza consente al segnale di coprire una banda più ampia e ridurre la densità spettrale di

potenza, rendendo il segnale meno suscettibile alle interferenze e alle attenuazioni atmosferiche.

Figura 12.2 Chirped Spread Spectrum

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Durante la trasmissione, un segnale CSS inizia con una frequenza bassa e poi si sposta verso

Questo processo di

frequenze più alte, o viceversa, a seconda della configurazione specifica.

variazione di frequenza è altamente efficace per combattere il rumore e le inter-

ferenze, e consente a LoRa di mantenere una comunicazione affidabile anche in ambienti com-

plessi.

In sintesi, LoRa e la modulazione Chirp Spread Spectrum (CSS) rappresentano una combi-

nazione potente e innovativa per le comunicazioni a lungo raggio nel contesto dell'IoT. LoRa si

distingue per la sua capacità di operare su lunghe distanze con un consumo energetico molto

basso, rendendolo ideale per applicazioni di sensori e dispositivi IoT distribuiti su ampie aree. La

modulazione CSS migliora ulteriormente queste capacità, offrendo una robustezza eccezionale

contro le interferenze e le attenuazioni del segnale. Questa sinergia tra tecnologia e modulazione

consente a LoRa di mantenere una comunicazione affidabile e duratura, rispondendo così alle

esigenze di una rete IoT globale e interconnessa.

Riassunto conclusivo

Le reti di sensori e l'Internet of Things (IoT) sono trasformative, rendendo possibile la comuni-

cazione e l'interazione continua tra dispositivi attraverso reti sia cablate che wireless. Mentre le

connessioni cablate offrono alta stabilità e velocità, quelle wireless, come Wi-Fi e Bluetooth, of-

frono maggiore flessibilità, ma a volte con sfide come interferenze e consumo energetico.

I sensori, che monitorano vari parametri ambientali, sono progettati per essere energeticamente

efficienti e possono operare per periodi prolungati. Le reti di sensori raccolgono e gestiscono i

dati trasmessi da questi sensori, organizzandoli in configurazioni a stella o peer-to-peer a secon-

da delle necessità.

Tecnologie come LoRa (Long Range) e la modulazione Chirp Spread Spectrum (CSS) hanno riv-

oluzionato le comunicazioni a lungo raggio nel contesto dell'IoT. LoRa permette comunicazioni su

lunghe distanze con basso consumo energetico, utilizzando bande di frequenza sub-GHz e CSS

per migliorare la resistenza alle interferenze. CSS modula il segnale variando la frequenza nel

tempo, aumentando l'affidabilità della comunicazione.

Nel complesso, le reti di sensori e l'IoT sfruttano queste tecnologie per bilanciare distanza, effi-

cienza energetica e robustezza, facilitando applicazioni che vanno dalla gestione ambientale al-

l'automazione industriale.

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SCHEMI UTILI

1. Evoluzione delle Reti Telefoniche

Reti Telefoniche Analogiche

Tecnologia: Trasmissione di segnali audio attraverso circuiti analogici.

• Limitazioni: Qualità del segnale che degrada su lunghe distanze e limitata larghezza di

• banda.

Digitalizzazione delle Reti Telefoniche

PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy): Utilizzato per la trasmissione di dati digitali

• su circuiti telefonici, offrendo una struttura di multiplexer.

ISDN (Integrated Services Digital Network): Fornisce servizi vocali e dati simultane-

• amente con una maggiore qualità e velocità.

SDH (Synchronous Digital Hierarchy): Evoluzione del PDH con maggiore capacità,

• sincronizzazione e supporto per reti a lungo raggio.

Tecnica di Accesso: TDM (Time Division Multiplexing), che consente di trasmettere più

• segnali su un singolo canale.

2. Reti Dati e Internet

Rete Dati

Frame Relay: Protocollo di commutazione di pacchetto per la trasmissione di dati su

• WAN, ideale per dati non critici.

X.25: Protocollo di commutazione di pacchetto per reti pubbliche, con capacità di cor-

• rezione degli errori.

HDLC (High-Level Data Link Control): Protocollo per la trasmissione dati sincrona e

• gestione della comunicazione tra due nodi.

PPP (Point-to-Point Protocol): Protocollo per la comunicazione tra due dispositivi su

• una connessione seriale, supporta autenticazione e compressione.

Rete Internet (IP)

Protocolli: IP (Internet Protocol) per l'instradamento e la consegna di pacchetti di dati

• attraverso la rete.

Tecnica di Accesso: Utilizza UDP (User Datagram Protocol) e TCP (Transmission Con-

• trol Protocol) per gestire rispettivamente comunicazioni senza connessione e con con-

nessione.

3. Reti Mobili Cellulari

Evoluzione delle Reti Cellulari

Prima Generazione (1G): Rete analogica con TDM per la comunicazione vocale