Panoramica degli standard delle reti mobili cellulari | 1NCE

Torre radio mobile. Fonte: Andreas Glöckner, Pixabay

Quando si parla di connettività cellulare IoT ci si imbatte sempre nelle abbreviazioni 2G, 3G, 4G e persino 5G. Inoltre, vengono a galla i termini NB-IoT o LTE-M. Quando si sceglie uno standard di rete cellulare per connettere i propri dispositivi all'Internet degli oggetti, a cosa bisogna puntare? Questo articolo si propone di fornire una panoramica degli attuali standard di rete mobile cellulare.

Nella prima parte della nostra serie di blog in tre parti sulla scelta di una tecnologia radio adeguata per il tuo progetto IoT abbiamo messo a confronto gli standard di rete con licenza e quelli senza licenza, evidenziando i numerosi ostacoli che potresti incontrare quando scegli tecnologie senza licenza come LoRa o SigFox. A prima vista, le tecnologie senza licenza rendono il tuo progetto IoT indipendente da operatori di rete terzi, ma comportano una maggiore complessità in termini di implementazione e regolamentazione, soprattutto se hai intenzione di distribuire il tuo prodotto in diverse regioni del mondo. Siamo giunti alla conclusione che gli standard autorizzati consentono un'implementazione più rapida e semplice, poiché comportano meno problemi in termini di adattamento regionale, certificazione e sono complessivamente più affidabili e quindi più adatti alle applicazioni critiche.

Sebbene non tutti gli standard di comunicazione cellulare siano stati inizialmente progettati esclusivamente per la comunicazione tra macchine, tutti possono essere utilizzati per i dispositivi dell'Internet degli oggetti. A seconda dello standard in uso, i vantaggi sono diversi. Ecco una panoramica degli standard di rete mobile cellulare del passato, del presente e del prossimo futuro.

Panoramica degli standard cellulari disponibili

La G di 2G, 3G, 4G o 5G sta per "Generazione". La primissima generazione di rete cellulare commerciale, 1G, è stata sviluppata a partire dalla fine degli anni '70 e introdotta nel 1987 da Telstra, un operatore australiano. Con una frequenza di 30 kHz e una larghezza di banda di 2 kilobit al secondo (kbps), si trattava di una tecnologia che aveva una durata della batteria molto scarsa, una bassa qualità della voce e poca sicurezza. Non sopravvisse a lungo.

2G - Il primo standard digitale

Il 2G è stato introdotto nel 1991 ed è il primo standard digitale. Offriva comunicazioni più affidabili e sicure. Lo standard 2G implementava i concetti di CDMA e GSM:

CDMA (Codedivision multiple access) consente a diversi trasmettitori di inviare informazioni contemporaneamente. In pratica, consente a più utenti di condividere una banda di frequenze.

Il GSM (Global System for Mobile Communications) è uno standard che descrive i protocolli per le reti cellulari digitali di seconda generazione. Sviluppato all'inizio degli anni Novanta in Europa, è diventato uno standard globale a metà degli anni 2010.

Le reti 2G hanno introdotto molti dei servizi mobili fondamentali che utilizziamo ancora oggi. Uno di questi: Il servizio di messaggistica breve SMS. L'SMS era la comunicazione machine-to-machine (M2M) molto prima che il termine "internet delle cose" facesse il suo giro. Con il "General Packet Radio Service" (GPRS) e l'"Enhanced Data Rates for GSM Evolution" (EDGE) lo standard 2G è stato aggiornato due volte a 2,5G e 2,75G, aumentando la velocità massima a 171 kbps e 384 kbps.

La connettività 2G è stata finora uno standard affidabile per la connessione di dispositivi a bassa larghezza di banda con l'Internet degli oggetti. Tuttavia, i giorni del 2G sono contati. Poiché sono emersi standard più recenti, Telstra è stato uno dei primi operatori ad abbandonare il 2G nel dicembre 2016. In Europa il phase out del 2G inizierà entro la fine del 2020.

3G - Introduzione delle funzionalità multimediali mobili

Il 3G è stato introdotto nel 2003. La rete principale utilizzava una nuova architettura chiamata "Universal Mobile Telecommunications System" (UMTS). Il principale progresso rispetto al predecessore 2G era una larghezza di banda significativamente maggiore. Questo ha reso il 3G il primo "standard multimediale" mobile. Per la prima volta è stato possibile trasmettere flussi video attraverso le reti cellulari mobili. Nel 2006 il 3G è stato aggiornato a 3,5G introducendo il protocollo di comunicazione High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA), che ha ulteriormente aumentato la larghezza di banda dei dati del 3G fino a 42 Mbps.

Un altro aggiornamento ha introdotto lo standard "Long Term Evolution" (LTE) che ha aumentato ancora una volta la capacità e la velocità delle comunicazioni mobili. Anche se l'LTE è stato commercializzato come "4G" o "4G LTE", non soddisfa i criteri tecnici del "vero" servizio wireless 4G. Tecnicamente l'LTE è un "3.9G".

Tuttavia, anche i giorni del 3G sono contati. L'abbandono è già iniziato. Entro la metà del 2021, Vodafone prevede di chiudere le sue ultime stazioni 3G in Germania. Anche Telefónica e Deutsche Telekom hanno iniziato a rimuovere le stazioni 3G a favore di tecnologie più recenti.

4G - Alta velocità e ubiquità informatica

La quarta generazione 4G è stata introdotta nel 2012. Il suo scopo principale è quello di fornire comunicazioni ad alta velocità con una maggiore sicurezza per consentire la TV mobile ad alta definizione, le videoconferenze e il pervasive computing rispettivamente l'ubiquitous computing con larghezze di banda fino a 150 Mbps. Mentre il 4G stabilisce gli standard e le condizioni generali, l'LTE fornisce le basi tecnologiche per soddisfare questi standard. Tuttavia, solo l'LTE+ o LTE Advanced migliorato soddisfa i requisiti 4G.

NB-IoT e LTE-M

In relazione al 4G, sono emerse altre due tecnologie: NB-IoT e LTE-M. Entrambe sono state progettate specificamente per la comunicazione macchina-macchina, come indicato nella prima parte di questo articolo. NB-IoT sta per Narrow Band (banda stretta) e utilizza onde radio che consentono una copertura particolarmente ampia. Allo stesso tempo, sono in grado di penetrare spessi muri di cemento e quindi di raggiungere anche gli angoli più remoti di un edificio. NB-IoT è perfettamente progettato per dispositivi limitati che di solito trasmettono piccoli pacchetti di dati solo una volta all'ora o al giorno, rendendoli perfetti per funzionare a batteria per un periodo molto lungo. LTE-M, invece, offre larghezze di banda maggiori con latenze inferiori rispetto a NB-IoT, ma ha un consumo energetico leggermente superiore.

5G - Lo standard del futuro

Il 5G è l'ultimo standard di comunicazione cellulare. La sua diffusione a livello mondiale è appena iniziata. Si stima che entro il 2023 il 32% delle connessioni mobili del Nord America funzionerà su una rete 5G. Anche in Europa la diffusione del 5G è in corso. Con larghezze di banda fino a 1 Gbps, il 5G è progettato per consentire comunicazioni ad alta velocità con capacità elevate e latenza molto bassa, il che lo rende la tecnologia di comunicazione perfetta per le applicazioni di realtà aumentata, i giochi, le comunicazioni machine to machine e i dispositivi intelligenti in cui la rapidità di reazione gioca un ruolo vitale. Per il momento il 5G non è destinato a sostituire il suo predecessore 4G. Il funzionamento parallelo di entrambe le tecnologie consentirà in futuro di servire capacità maggiori e velocità di rete più elevate.

Parte 3

Nella terza parte della nostra serie di blog sugli standard di connettività IoT parleremo della scelta dello standard di rete cellulare ottimale per il tuo caso d'uso e di come la compatibilità multimodale garantisca l'affidabilità futura.