IoT: I sistemi wireless spiegati semplicemente

1.  Introduzione

La principale caratteristica delle applicazioni IoT è che i  dispositivi  devono essere in grado di rilevare e trasmettere dati.Le esigenze di deploy spingono i progettisti ad adottare trasmissioni wireless in quanto più flessibili in relazione ai vari contesti di utilizzo.

I differenti standard wireless sono stati progettati per soddisfare i requisiti  di diversi ambiti applicativi.

Le trasmissioni radio possono essere classificate  sulla base del raggio di copertura oppure in base alla velocit`a ditrasferimento dati. Le trasmissioni a corto raggio operano su un raggio di decine di metri, le trasmissioni a medio raggio propagano fino a qualche centinaio di metri, mentre le trasmissioni a lungo raggio operano sull’ordine dei chilometri. Letrasmissioni a basso data date hanno una velocit`a sull’ordine dei bps, mentre quelle ad alto data rate hanno unavelocit`a sull’ordine dei Mbps.

2.  Caratteristiche del segnale radio

Le onde radio sono un particolare tipo di onde elettromagnetiche e come tali obbediscono alle leggi della fisica che leregolano. Le onde elettromagnetiche sono una combinazione di campi elettrici e campi magnetici variabili, che sipropagano nello spazio con le caratteristiche del moto ondulatorio. Un  segnale radio non `e altro che un’ondaelettromagnetica in grado di trasportare informazioni.

L’antenna `e un dispositivo in grado di trasmettere e ricevere un segnale radio. Quando ad una antenna viene applicata della corrente alternata (AC), questa `e in grado di generare onde elettromagnetiche con una certa frequenza che sipropagano nello spazio alla velocit`a della luce.

Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate da tre elementi: ampiezza, frequenza e fase. L’ampiezza del segnaleelettromagnetico corrisponde alla quantit`a di energia che viene indotta per generare il campo elettromagnetico. Maggioreè la potenza di corrente (volts) e maggiore sar`a l’energia trasportata dal  segnale radio. La potenza trasmissiva `eespressa in Watt ed  `e data dal rapporto Energia / Tempo. Per poter estendere il raggio di copertura di un segnale radio `e possibile aumentare la potenza trasmissiva e quindi aumentare l’ampiezza entro i limiti di legge.

Un’onda elettromagnetica `e un segnale sinusoidale che oscilla nel tempo. La frequenza viene misurata in Hertz (Hz) erappresenta   il numero di oscillazioni in un secondo. La lunghezza d’onda `e  determinata dalla frequenza secondo un rapporto inverso, in quanto all’aumentare della frequenza diminuisce la lunghezza d’onda. Per le trasmissioni a lungo raggio   sono necessarie onde a bassa frequenza, mentre se si vuole aumentare il data rate bisogna aumentare la frequenza. La fase rappresenta lo sfasamento del periodo dell’onda ricevuta rispetto a come `e stata generata.  Lapropagazione nello spazio delle onde `e soggetta alla presenza di ostacoli lungo il cammino che generano fenomeni di rifrazione e rimbalzo. Per questo motivo le onde non arrivano a destinazione tutte perfettamente allineate rispetto alla fase originale. Quando le onde arrivano a destinazione possono avere una fase positiva (in anticipo) o negativa (in ritardo) rispetto all’onda originale. La fase viene misurata in gradi. Un segnale che rappresenta un’informazione prima di poter essere trasmesso tramite onde radio deve essere sottoposto ad un processo chiamato modulazione. La modulazione permette di modificare il segnale originale intervenendo sulla variazione di ampiezza, frequenza e fase.

2.1.  Link Budget

Il link budget, o bilancio di collegamento, indica la relazione formale che stabilisce il bilancio di potenza di un sistema di telecomunicazione tra la potenza ricevuta dal ricevitore in funzione di quella emessa dall’apparato trasmittente e che include tutti i fattori di amplificazione e dissipativi lungo il canale di comunicazione:

LB = P_rx − RS

Dove:

LB = Link Budget espresso in dBm

P_rx = Potenza di segnale ricevuta espressa in dBm

RS = Receiver Sensitivity espressa in dBm

2.2.  Sensitività del ricevitore

Un altro importante fattore che determina le performance delle trasmis- sioni `e la soglia di sensitivit`a del ricevitore radio. La sensitivit`a di un ricevitore radio `e la quantit`a minima di segnale utile richiesto per poter decifrare un’informazionead uno specifico error rate in relazione al rapporto tra segna- le e rumore (SNR). In altre parole quanto piu` l’antennaricevente `e sensibile alla ricezione del segnale tanto meno sar`a l’energia necessaria per demodulare il  segnale  in ricezione. Ad  esempio, se si considera un’antenna  che pu`o trasmettere ad una potenza di +15 dBm e il segnale ha una perdita di potenza di  -140  dBm  il  segnale  ricevuto  dal  dispositivo  sar`a  di  -125  dBm.

La soglia di sensitivit`a  è un parametro molto importante per il confronto delle varie tecnologie wireless. In generale, è possibile affermare che la comunicazione tra  un  sender  ed  un  receiver `è  possibile  se  la  sensitività  del  ricevitore  S_Rx `e minore o uguale alla potenza di segnale ricevuta P_Rx:

Per le trasmissione a lungo raggio, il path loss ovvero  la  perdita  di  segnale  nello  spazio  aperto,  e il fattore che maggiormente riduce la potenza di segnale ricevuta P_Rx. La potenza di segnale ricevuta P_Rx `e determinata da una seriedi fattori, ed calcolata con la seguente formula:

Dove:

P_Rx = Potenza ricevuta(dBm)

P_Tx = Potenza trasmessa (dBm)

G_Tx = Guadagno antenna trasmettitore (dBi)

L_Tx = Perdita segnale trasmettitore (dispersione energetica dei connet- tori)

L_Fs = Perdita segnale in spazio aperto (dB)

L_M = Perdita segnale causato da diversi fattori (dB) (multipath fading, shadowing, scattering)

G_Rx = Guadagno antenna ricevitore

L_Rx = Perdita segnale ricevitore (dispersione energetica dei connettori)

2.3.  Capacità del canale

La capacit`a di canale viene definita come: “Il piu` piccolo limite superiore alla quantit`a di informazione che pu`o esseretrasmessa in maniera affidabile su un canale. Secondo il teorema della codifica  del  canale,  la  capacità  di  un  certo  canale  è  il  massimo  tasso  di  tra- sferimento  di  dati  che  può  fornire  il  canale  per  un  dato  livello  di  rapportosegnale/rumore, con un tasso di errore piccolo a piacere”.

A partire da questa definizione `e possibile fare due considerazioni per capire se la scelta di una tecnologia wireless `eadeguata per il contesto applicativo analizzato.

La prima considerazione `e se il canale trasmissivo fornisce una  adeguata  capacit`a  di  banda  che  si  traduce in quantit`a  di  bit  rate  sufficiente al trasporto delle informazioni necessarie all’applicazione.

La seconda considerazione riguarda la presenza di rumore sul canale. In ambienti industriali, cos`ı come in presenza diporti navali vi `e una forte presenza di rumore che  genera  disturbo  alle  trasmissioni. In questo caso `e necessarioadottare soluzioni che prediligono la robustezza del segnale rispetto ad un maggiore bit rate. La capacit`a del canale siricava in questo modo:

Dove  BW `e  la  bandwidth. Questa formula  si  applica  solo  in  presenza  di  un segnale ideale  sprovvisto  di  codifica  e  di rumore. Quando il segnale `e libero da rumore, ma `e presente la codifica allora si applica la seguente formula:

dove M rappresenta il numero di livelli di codifica. Per rappresentare la capacità  del  canale  in  presenza  di  codifica  e rumore  si  usa  il  modello  del teorema di Shannon-Hartley:

Dove S rappresenta il segnale ed N il rumore ovvero il rapporto tra segnale e rumore (SNR). Un aspetto critico imposto dal modello di Shannon-Hartley `e dato da , ovvero il rapporto che esiste tra la quantità di energia necessaria per rappresentare un bit ed il livello di rumore della densità  spettrale che di fatto indica la misura di SNR. L’efficienza spettrale η indica il quantitativo  di  dati  che è possibile  trasmettere  su  una  determinata  bandwidth:

Considerando  che  C `e  il massimo  data  rate  del  canale  e  BW `e  un  valore fisso, l’utilizzo di una buona modulazionediventa un parametro fondamenta- le per massimizzare η che si traduce nel massimizzare il throughput dei dati.

Pertanto, quando η aumenta allora anche  deve aumentare,  ovvero è necessaria una potenza energetica per rappresentare un bit, che corrisponde ad un maggior consumo energetico delle batterie. Quanta piu` energia serve perrappresentare un  bit  tanto  inferiore  sarà  la vita delle batterie. Inoltre, per fronteggiare il problema delle interferenzee degli ostacoli si pu`o aumentare il time on air di trasmissione del segnale attraverso l’utilizzo di una modulazionelenta.

2.4.  Larghezza di banda

La parola larghezza di banda si riferisce inizialmente alla larghezza della banda delle onde elettromagnetiche. In poche parole, è la differenza tra la frequenza più alta e quella più bassa del segnale.Attualmente, è più utilizzato per descrivere la velocità massima alla quale una rete o una linea può trasmettere dati. Nel settore delle telecomunicazioni, molte persone la paragonano a un’autostrada, per la quantità di dati trasmessi sulla linea in un periodo di tempo.

L’unità comune della larghezza di banda è bps (bit al secondo), ovvero il numero di bit che possono essere trasmessi al secondo. La larghezza di banda è un concetto fondamentale in campi quali la teoria dell’informazione, la radio, le comunicazioni, l’elaborazione del segnale e la spettroscopia.

3.  Peculiarità dei sistemi wireless

Sul mercato esiste un’infinità di tecnologie wireless che si differenziano  tra loro sulla base della relazione cheintercorre tra raggio di copertura e capacità di trasferimento dei dati.

Figura 1 – Confronto tra differenti tecnologie wireless.

Ad oggi non esiste una risposta unica alle piu` svariate esigenze applicative. La scelta di una tecnologia ottimale agarantire una buona qualit`a di servizio deriva da una profonda analisi dei requisiti dell’applicazione ma soprattutto del contesto ambientale in cui si opera. Per poter fare un confronto tra le diverse tecnologie wireless, al fine di poter stabilirequale si adatta meglio al contesto  applicativo  preso  in  esame, `e  possibile  analizzare  alcuni  parametri. I  parametri  da analizzare  per  il  confronto  sono:  link  budget,  sensitivit`a  del ricevitore, rapporto tra modulazione e sensitivit`a etecniche di modulazione.

4.  Tecniche di trasmissione dei dati

I dati, quando vengono trasmessi mediante radiofrequenze, si propagano tutti alla velocit`a  della luce. Quello che differisce  tra  le  varie  tecnologie  wireless `e il throughput, ovvero la quantità di dati che può essere trasferita in unità di  tempo  e  viene  misurato  in  Bit  per  Secondo  (bps). Per  poter trasferire  una  maggiore quantità  di  dati  a  parità  di tempo è necessario  che l’ampiezza di banda in trasmissione sia sufficientemente capiente. Per otte- nere  canali  di comunicazione  ad  elevato  bit  rate `e  necessario  disporre  di  un canale di comunicazione con una banda abbastanzaampia. Solitamente si parla  di  broadband  per  velocit`a  superiori  a  1  Mbps,  mentre  al  di  sotto  di questa  velocità  si parla  di  narrowband. Per le applicazioni che richiedono un alto data rate bisogna utilizzare connessioni broadband che vanno accompagnate con elevate frequenze. Per le applicazioni che richiedono una copertura di segnale a lungo raggio bisogna usare trasmissioni narrowband,   in quanto queste concentrano l’energia in una porzione di spettro più piccola risultando meno suscettibili alla presenza di rumore[1].

Figura 2 – Segnali Narrowband e Broadband.

La banda stretta e la banda larga sono due tecnologie di trasmissione di rete comuni e la differenza principale tra loro è la velocità di trasmissione e la larghezza di banda.

La banda stretta è generalmente definita come un metodo di comunicazione con velocità di trasmissione più lenta e larghezza di banda più stretta.La trasmissione a banda stretta può trasmettere solo una piccola quantità di dati ed è adatta per alcuni scenari applicativi semplici, come telefono e fax.La tecnologia di trasmissione a banda stretta è relativamente semplice e a basso costo, ma la velocità di trasmissione è lenta e non può soddisfare i requisiti di trasmissione ad alta velocità come la trasmissione di dati su larga scala o video ad alta definizione.

La banda larga si riferisce a un metodo di comunicazione con velocità di trasmissione più elevata e larghezza di banda più ampia.La banda larga può trasmettere più tipi di dati contemporaneamente, come voce, video, immagini, ecc. La trasmissione a banda larga è una tecnologia di trasmissione dati ad alta velocità e di grande capacità che può realizzare la trasmissione mista di più tipi diversi di segnali sullo stesso mezzo di comunicazione La tecnologia di trasmissione a banda larga è più avanzata di quella a banda stretta, può garantire stabilità e sicurezza della trasmissione ed è diventata il metodo di trasmissione principale nell’era moderna di Internet.In generale, la banda stretta e la banda larga presentano vantaggi e svantaggi.Quale metodo di trasmissione scegliere dipende dalle effettive esigenze.

Le trasmissioni broadband occupano molta bandwidth rispetto alle trasmissioni  narrowband,  ma  la  potenza  di trasmissione  `e  inferiore.  La  Tabella 1 riepiloga le principali differenze tra i due tipi di trasmissione.

Tabella 1 – Riepilogo caratteristiche trasmissioni Broadband e Narrowband.

Un modo per ovviare al problema di mantenere un buon compromesso tra energia impiegata per codificare il segnale e la presenza di rumore che distorce l’informazione `e quello di usare trasmissioni narrowband con unadimensione del canale molto stretta. Dato che il rumore si disperde su tutto lo spettro, le trasmissioni narrowbandhanno un piu`  basso livello di rumore su singolo canale.

Quando si usano canali narrowband il canale non `e molto disturbato dalle interferenze dei canali vicini, ma sel’interferenza si manife sta sullo stesso canale allora la trasmissione viene persa. Per questo motivo esse si adattanomeglio alle trasmissioni a lungo raggio che sono caratterizzate da una forte attenuazione del segnale. Per poterottenere trasmissioni in broadband bisogna usare tecniche di modulazione in grado di elaborare il segnale di base ed aparit`a di ampiezza questo viene disperso su una porzione di spettro piu` ampia. Questa  tecnica  `e  conosciuta  come spread  spectrum.

Nelle trasmissioni spread spectrum il segnale in banda base viene trasmesso su una banda di frequenze piu`  ampiadi quella effettivamente necessaria alla trasmissione dell’informazione contenuta nel segnale originario stesso, in con-trapposizione alle trasmissioni narrowband in cui la trasmissione non eccede mai  la  reale  capacit`a  del  canale  trasmissivo. Il segnale in banda base viene inviato ad un codificatore di canale che produce un segnale analogico diampiezza di banda relativamente limitata centrata su una determinata frequenza. Il segnale viene modulato usando una sequenza di cifre chiamato codice o sequenza di dispersione. In generale il codice di dispersione viene prodotto da un generatore di pseudo rumore o numeri pseudo casuali. L’effetto di questa  modulazione `e  quello  di  aumentare sensibilmente  l’ampiezza di banda (dispersione dello spettro) del segnale da trasmettere. Il ricevente, allo stessomodo, deve conoscere la stessa sequenza di cifre. Il segnale viene inviato ad un decoder di canale che recupera idati in esso contenuti.

I vantaggi principali ottenuti usando una tecnica spread spectrum sono:

• Più stazioni radio possono trasmettere contemporaneamente usando la stessa ampiezza di banda con interferenza reciproca minima migliorando rapporto segnale/rumore;
• Riduzione incidenza delle interferenze;
• Nascondere e crittografare i segnali.

Esistono  diverse  tecniche  di  dispersione  dello  spettro. Tra  le  piu`  comuni troviamo:

• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) in cui il segnale viene trasmesso su una serie di frequenze pseudocasuali, saltando da una fre- quenza all’altra a intervalli Questa tecnica `e usata dallatecnologia Bluetooth.
• DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) che utilizza un codice di dispersione per permettere a ciascun bit del segnale originario di essere rappresentato da  piu`  bit  del  segnale  trasmesso. Una  sequenza  di  bit  di codicelunga per ogni bit di segnale produce un ampio guadagno elaborato paragonabile all’aumento di potenza in  Questa tecnica `e impiegata negli standard 802.11-b ed 802.11-g .
• CSS (Chirp Spread Spectrum) utilizzato da LoRa `e una tecnica di modulazione in frequenza lineare a larga banda(chirp) degli impulsi da codifi Un chirp `e un segnale sinusoidale la cui frequenza aumenta o diminuiscenel tempo.  Lo svantaggio nell’utilizzo di tecniche spread  spectrum  come modulazione  `e  che il ricevitore devefare piu` lavoro per decodificare l’informazione da un segnale che si confonde con il rumore di fondo. Inoltre,disperdere un segnale narrowband su una banda piu` ampia rappresenta un modo meno efficiente di utilizzo dello spettro. Questo problema viene per`o risolto attraverso l’uso di piu` sequenze tra loro ortogonali[2]. Dato  che piu`  dispositivi  possono  usare  canali  diversi  o  sequenze  ortogonali, si riesce ad ottenere un incremento dicapacit`a della rete.

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Note

[1] William Stallings. Comunicazioni e reti wireless. Editore McGraw-Hill, ISBN 8838634327

[2] William Stallings. Comunicazioni e reti wireless. Editore McGraw-Hill, ISBN 8838634327.