Per le reti wide-area a bassa potenza (LPWAN) che operano in uno spettro esente da licenze, uno dei principali vantaggi è rappresentato dai bassi costi di rete. Tuttavia, data la crescita esponenziale dei dispositivi IoT, le limitate risorse radio condivise stanno diventando sempre più affollate. Per migliorare la qualità del servizio (QoS) e la scalabilità della rete, garantire l'immunità alle interferenze nelle LPWAN è un compito importante.
Comprendere le interferenze nello spettro senza licenza
L'interferenza si verifica quando due segnali radio entrano inutilmente in conflitto sulla stessa frequenza, con conseguente perdita di dati. Le interferenze con le LPWAN senza licenza rientrano in due grandi categorie:
1. L'interferenza intra-sistema, o auto-interferenza, si riferisce all'interferenza causata da dispositivi che operano all'interno della stessa rete, ad esempio all'interno della rete MIOTY o della rete LoRa. L'autointerferenza è principalmente attribuita alla comunicazione asincrona che utilizza lo schema ALOHA in molti sistemi LPWAN. Sebbene il consumo di energia sia notevolmente ridotto, le reti basate esclusivamente su ALOHA produrranno una significativa autointerferenza a causa della trasmissione casuale di dati non coordinata tra i dispositivi finali.
2. L'interferenza intersistemica si riferisce all'interferenza causata dai segnali radio di altri sistemi. Poiché lo spettro libero da licenze è disponibile per tutti, più tecnologie coesistono e accedono alle stesse risorse di frequenza. Ad esempio, la maggior parte delle tecnologie LPWAN, tra cui MIOTY, LoRa e Sigfox, utilizzano in genere bande radio industriali, scientifiche e mediche (ISM) di dimensioni inferiori ai gigahertz. Analogamente, Ingenu, un altro attore LPWAN, condivide l'affollata banda a 2,4 GHz con Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee e altri.
Le interferenze intra- e inter-sistema possono degradare le prestazioni della rete e ostacolare la scalabilità.
Metodi tecnici anti-interferenza LPWAN
Tra queste sfide, una solida progettazione del sistema è fondamentale per garantire un'elevata immunità alle interferenze della LPWAN. Di seguito vengono descritti quattro approcci tecnici per controllare e mitigare le interferenze intra e inter-sistema.
1. Sfruttare la larghezza di banda (ultra)ridotta
Rispetto agli approcci a banda larga basati sullo spettro diffuso, le tecnologie a banda (ultra)stretta attenuano i problemi di interferenza all'interno del sistema. Ogni messaggio a banda stretta utilizza una larghezza di banda molto ridotta, con conseguente elevata efficienza spettrale. Di conseguenza, è possibile inserire più messaggi in una banda di frequenza designata senza che si sovrappongano gli uni agli altri, consentendo a più dispositivi di operare in modo efficiente allo stesso tempo senza interferire gli uni con gli altri. Ciò aumenta la capacità complessiva della rete e la scalabilità del sistema. L'utilizzo minimo della larghezza di banda riduce anche il livello di rumore di ciascun segnale.
Pensate alla messaggistica a banda stretta come a una motocicletta e a quella a banda larga come a un camion. In autostrada possiamo trasportare molti più motocicli che camion senza causare incidenti.
2. Ridurre il tempo di trasmissione
In molti sistemi LPWAN, il tempo di trasmissione del segnale, o tempo di broadcast, può essere anche di 2 secondi. Questo è un problema perché più tempo impiega un messaggio per “trasmettersi”, più è probabile che entri in conflitto con un altro messaggio inviato nello stesso momento, con conseguente perdita di dati. Tempi di trasmissione più lunghi aumentano anche le possibilità di attacchi malevoli e sofisticati, come il jamming selettivo.
3. Salto di frequenza
Il salto di frequenza aumenta la resistenza alle interferenze intersistemiche, passando rapidamente i messaggi da un canale all'altro durante la trasmissione. La variazione costante della frequenza aiuta a evitare la congestione del canale e rende i segnali difficili da intercettare. L'aspetto negativo è che il salto di frequenza è molto inefficiente dal punto di vista spettrale, perché richiede l'uso di una larghezza di banda maggiore. I segnali a banda larga trasmessi a bassa velocità possono facilmente sovrapporsi, causando autointerferenze e perdita di dati.
4. Correzione degli errori in avanti (FEC)
L'applicazione della codifica di canale o della correzione degli errori in avanti consente di rilevare e correggere gli errori di trasmissione dovuti a rumore, interferenze e dissolvenza. In canali inaffidabili o rumorosi, la FEC aiuta a ridurre il tasso di errore di bit dei segnali digitali, migliora l'affidabilità della trasmissione del segnale ed evita costose ritrasmissioni di dati.
Ad oggi, nessun sistema LPWAN tradizionale è riuscito a sfruttare tutti questi approcci nella sua progettazione. Le LPWAN che utilizzano un approccio a banda (ultra)stretta offrono un'elevata efficienza spettrale, ma soffrono di tempi di trasmissione prolungati a causa di una velocità di trasmissione dei dati molto bassa. I sistemi a spettro diffuso sfruttano il salto di frequenza, ma soffrono di problemi di autointerferenza e scalabilità a causa dell'ampia larghezza di banda utilizzata.
Il telegram splitting applica i vantaggi dei 4 metodi precedenti in un unico sistema, suddividendo i messaggi a banda ultra stretta in più sottopacchetti più piccoli e distribuendoli secondo uno schema di tempo e frequenza pseudo-casuale. Grazie alle sue dimensioni molto ridotte, ogni sottopacchetto ha un tempo di trasmissione estremamente breve, pari a soli 15 millisecondi. Pertanto, la possibilità di conflitti con altri segnali inter e intra-sistema è notevolmente ridotta. Inoltre, la correzione degli errori in avanti (FEC) integrata consente di recuperare con successo il messaggio anche se nel processo si perdono fino a 50% di sottopacchetti.
Con la continua crescita della densità dei dispositivi e del traffico di comunicazione nell'era dell'IoT, le capacità anti-interferenza nelle reti wide area a bassa potenza continueranno a essere una priorità assoluta. Inoltre, la scelta di tecnologie robuste senza compromettere i costi e l'efficienza energetica.
Parole chiave: tecnologia di comunicazione lora