Reti IoT satellitari, come e perché stanno diffondendosi

La realizzazione di sistemi di raccolta e controllo dei dati in aree remote, prive di infrastrutture di comunicazione disponibili, è stata finora una sfida molto significativa. Tuttavia, le innovazioni messe in atto in svariate aree stanno ora consentendo la raccolta dei dati via satellite, collegando reti a basso consumo in aree remote a piattaforme  analitiche di data mining su larga scala.

Questa connettività realmente globale per il massive Internet of Things (Low Power Wide Area IoT)  ha il potenziale per cambiare radicalmente il monitoraggio ambientale, l’agricoltura intelligente, l’estrazione mineraria, la produzione di petrolio e gas, il trasporto marittimo, asset tracking e logistica, i trasporti, la gestione delle infrastrutture pubbliche e molti altri ambiti, con i servizi commerciali in avvio da quest’anno.

Il dato su cui riflettere è che solo il dieci percento della superficie della Terra dispone di connettività realizzata per via terrestre, quindi è sempre più importante trovare una soluzione per offrire reti in grado di veicolare dati provenienti da regioni remote.

È in effetti già presente una enorme richiesta di connettività globale a basso costo per dispositivi IoT e in molti settori, con 75 miliardi di dispositivi IoT che dovrebbero essere online entro il 2025 secondo la società di ricerche di mercato Statista.

Tuttavia, molti di questi si trovano in località rurali, o remote, quindi prive di connettività. L’obiettivo prioritario di implementare progetti IoT che aiutino a proteggere il pianeta, sviluppare le economie locali e migliorare la vita delle persone richiederà enormi Reti IoT per espandersi in tutto il mondo.

L’avvento di nuovi, convenienti nano-satelliti, dell’innovativa stampa 3D in metallo in alcuni casi, e l’elettronica a bassa potenza hanno spostato l’economia delle reti satellitari verso reti IoT a basso consumo energetico ormai in tutti i tipi di applicazioni.

I servizi dati esistenti erogati dai tradizionali satelliti geostazionari sono costosi e ottimizzati per servizi dati, voce e banda larga, applicazioni marittime e aeronautiche con terminali satellitari terrestri di grandi dimensioni, pesanti e affamati di energia.

Tuttavia, alcuni satelliti geostazionari che beneficiano di un servizio zero-latency potrebbero essere sfruttati per partecipare allo sviluppo dell’IoT satellitare come EchoStar.

Allo stesso tempo, piccoli satelliti dal peso inferiore a 1kg, e fino a 10kg, possono ora essere lanciati da razzi privati condivisi in una Low Earth Orbit (LEO) di 500 km.

Questi formano costellazioni comprese tra le decine e fino a centinaia di satelliti che orbitano intorno alla Terra ogni 120 minuti e oltre (a seconda del tipo di orbita) per fornire copertura dati alle regioni remote.

L’aumento del numero di satelliti porta principalmente a ridurre la latenza nella connettività IoT aggiungendo maggiore capacità di elaborazione, essendo la copertura globale disponibile con un numero molto limitato di satelliti.

Questa orbita ad altezze inferiori è meno sensibile alle radiazioni, consentendo così l’utilizzo di componenti più economici e riducendo ulteriormente i costi per la creazione della rete. Ciò si traduce in minori costi dei dati e apre le comunicazioni satellitari alle LPWAN (Low Power Wide Area networks).

Le reti LPWAN possono utilizzare i collegamenti dati satellitari in diversi modi. A Una rete LPWAN ha spesso migliaia di nodi di sensori sparsi su un’area, anche a distanze di chilometri. Questi sensori possono monitorare la temperatura, l’umidità, l’acqua nel suolo o persino il fumo, importante nel rilevare l’inizio di incendi boschivi.

Questi sensori, alimentati a batteria, sono connessi attraverso collegamenti wireless, e inviano piccoli messaggi con cadenze di pochi minuti, ore o giorni su un collegamento con una larghezza di banda tipica compresa tra qualche centinaio di bit/s e fino ad alcune decine di kilobit/s a seconda della modulazione radio.

Tutti questi sensori si ricollegano quindi ad un gateway posto anche a molti chilometri di distanza, e che a sua volta si collega ad una rete backhaul. Nelle aree urbane o nelle smart city, questo può essere un cablaggio in fibra ottica o in rame, una rete cellulare 4G o 5G o anche un collegamento fisso point-to-point di accesso wireless.

Nel mezzo delle campagne del Nord America o tra i deserti dell’Africa questa però non rappresenta un’opzione. Nelle aree remote, un gateway può connettersi direttamente ad un satellite tramite una connessione VSAT o un servizio satellitare mobile. Questo è il modo in cui gli operatori satellitari realizzano in back-haul per le reti LPWAN in aree difficili da raggiungere.

Sfortunatamente, l’alimentazione per il gateway LPWAN non è sempre disponibile né protetta (problemi di sicurezza in alcune aree) o i dispositivi IoT sono distribuiti su vaste aree (ad esempio il monitoraggio delle condutture) al di fuori della portata di un gateway LPWAN. Pertanto, la capacità di Lacuna Space, EchoStar ed Eutelsat di offrire connettività diretta da dispositivo a satellite sta cambiando il modello di business per i satelliti LPWAN. I sensori IoT vengono implementati in vaste aree dei continenti e la flotta di dispositivi mobili è in grado di estendersi in tutto il mondo, compresi i mari. Non è necessario installare, alimentare e mantenere un’infrastruttura di gateway terrestre.

La chiave è che questi satelliti trasportano payload che gestiscono i messaggi LPWAN in modo nativo utilizzando gli stessi schemi di modulazione delle reti terrestri, trasmettendo i dati da tutto il mondo. Gli Operatori Satellitari come Lacuna Space, EchoStar e Eutelsat  possono adattare le architetture dei gateway terrestri allo spazio o sviluppare il proprio sistema Software Defined Radio (SDR) implementando la modulazione LPWAN ai payload  spaziali.

Questo approccio nativo consente l’uso di dispositivi terrestri preesistenti, che possono sfruttare gli esistenti maturi ecosistemi IoT prevenendo l’aumento dei costi per la costruzione di moduli satellitari proprietari ad un consumo energetico più elevato. Inoltre, l’utilizzo dello stesso protocollo radio tra le reti satellitari e terrestri favorisce il roaming continuo per i dispositivi IoT che si estendono su un’onnipresente copertura combinata, satellitare e terrestre.

Per l’industria petrolifera e del gas, i dati possono essere costituiti dall’analisi delle prestazioni delle apparecchiature sulle piattaforme petrolifere, o sugli oleodotti o ancora sui tralicci dell’elettricità e negli ambienti più difficili.

Ciò può essere asservito sia a linee di monitoraggio dei dati dei sensori sia valvole di controllo. Questi dati possono essere utilizzati anche per la manutenzione predittiva, utilizzando l’apprendimento automatico per identificare quegli schemi nei dati che indicano che una tal macchina si guasterà in un prossimo o remoto futuro. Ciò consente di riparare o sostituire le apparecchiature durante una manutenzione programmata anziché guastarsi in un qualsiasi ed imprevedibile momento.

Tra le foreste, i sensori LPWAN possono essere utilizzati per rilevare i primi segni di incendi boschivi nelle aree più remote. I sensori utilizzano una rete mesh per trasportare i dati da un nodo all’altro, e di nuovo ad un gateway.

Questo può essere alimentato da un pannello solare per fornire il collegamento al satellite quindi tornare ad una stazione monitor. Anche in questo caso, gli algoritmi di apprendimento automatico possono identificare probabili aree di incendio e allocare risorse per combattere gli eventuali focolai.

Avere un sistema LPWAN satellitare consente anche di realizzare supply chain più efficienti, con apparecchiature e container tracciati in tutto il mondo. Alcuni nodi LPWAN possono connettersi direttamente al satellite senza dover utilizzare un gateway, consentendo di tracciare le spedizioni in tempo reale in qualsiasi parte del mondo esse si trovino, sia su una nave portacontainer che su un camion nella più remota delle regioni mentre effettua una consegna.

Una nuova tecnologia di modulazione denominata Long Range – Frequency Hopping Spread Spectrum (LR FHSS) estende il supporto per le reti LPWAN con collegamenti dati diretti da nodi finali ai satelliti utilizzando le banda di frequenza Industrial, Scientific and Medical (ISM), senza licenza o lo spettro con licenza.

LR-FHSS può supportare milioni di nodi finali ed offre un nuovo, più elevato livello di robustezza per tutti i tipi di servizi IoT. Fornisce un’elevata resistenza alle interferenze riducendo così le collisioni di pacchetti attraverso l’aumento dell’efficienza spettrale che porta ad una maggiore capacità della rete.

Il protocollo suddivide ogni pacchetto di dati inviato da un nodo finale in piccoli pezzi, ciascuno dei quali lungo circa 50 millisecondi, e li distribuisce casualmente su una larghezza di banda di frequenza definita. Utilizza inoltre header fisici ridondanti su frequenze diverse per migliorare ulteriormente la robustezza della modulazione nei confronti delle interferenze,  consentendo ai satelliti di captare i segnali sub-GHz.

Avere una rete dati satellitare separata per le applicazioni IoT consente alle reti di sensori esistenti di espandersi rapidamente e facilmente senza sostituire l’infrastruttura di rete esistente. La modulazione terrestre LPWAN e LR-FHSS possono coesistere contemporaneamente nel gateway o nel server di rete e i diversi gateway possono coesistere sulla stessa rete.

Questo è di crescente interesse per applicazioni come lo smart metering o smart building.  LR-FHSS consente una maggiore capacità di rete per gli end node distribuiti in condizioni radio difficili (a grandi distanze, o indoor o deep indoor), in particolare contatori intelligenti che possono trovarsi nei luoghi meno accessibili di un edificio. Avere una connessione diretta ad una rete satellitare evita la necessità di costruire o estendere una rete di gateway.

Ricercatori di mercato come IHS Markit , prevedono che i contatori intelligenti e le applicazioni di utenze connesse tramite tecnologie LPWAN raggiungeranno un totale di oltre 300 milioni entro il 2023.

LR FHSS è anche abilitato in una suite di strumenti per i transceiver chips  SX1261 e SX1262, la piattaforma LoRa Edge™, e il progetto di riferimento  per gateway V2.1.

Nelle reti LoRaWAN in cui sono implementati gateway V2.1, gli operatori possono abilitare la nuova funzionalità con un semplice aggiornamento del firmware del gateway stesso per fornire connessioni più solide in condizioni radio difficili, e in alcune regioni offrirà la possibilità di aumentare la copertura terrestre.

Almeno 70 reti IoT LPWAN satellitari sono state lanciate o sono in fase di prossimo lancio, fornendo un’ampia gamma di modelli di coinvolgimento, dalle connessioni dirette ai collegamenti gateway. Ciò offre agli utenti aziendali più opzioni di tipologia di rete e motori analitici. Ciò aumenta anche il volume, aumenta la concorrenza e riduce i processi.

Lacuna Space, EchoStar ed Eutelsat hanno sperimentato le reti IoT che utilizzano LR-FHSS in più paesi e prevedono di avviarne i servizi commerciali entro il 2022.

Una volta che il costo della connettività satellitare verrà ridotto, emergerà un numero infinito di nuovi casi d’uso, che potranno essere applicabili nelle smart city e nelle infrastrutture urbane. Con l’aggiunta della modulazione satellitare diretta, le reti satellitari svolgeranno un loro importante ruolo nello scatenare la massiccia espansione di casi d’uso dell’IoT al fine di proteggere l’ambiente, sviluppare le economie locali e migliorare la vita delle persone, integrando le reti LPWAN terrestri oggi disponibili in quasi 200 paesi.