Che cos’è l’LTE? Una guida completa

Per quanto riguarda specificamente l’IoT, l’LTE e le sue varianti a basso consumo costituiscono il livello di connettività alla base di tutto, dalla segnaletica digitale alle fermate degli autobus dei Paesi nordici ai robot subacquei negli allevamenti ittici norvegesi, come dimostrano gli esempi dei clienti di Com4 riportati più avanti.

LTE in parole semplici

L’LTE è uno standard wireless 4G sviluppato per garantire velocità di trasmissione dati significativamente più elevate e una minore latenza rispetto alle reti 3G che lo hanno preceduto. È stato progettato fin dall’inizio per la trasmissione dei dati, tra cui la navigazione web, i video e, sempre più spesso, i dispositivi connessi, anziché essere realizzato principalmente per le chiamate vocali e adattato successivamente ai dati.

Nell’uso quotidiano, i termini “LTE” e “4G” sono spesso considerati intercambiabili. Tecnicamente, l’LTE ha rappresentato il primo passo verso le vere velocità 4G, mentre i successivi perfezionamenti (LTE-Advanced, LTE-Advanced Pro) hanno colmato il divario rispetto allo standard 4G completo. A tutti gli effetti, quando si vede la dicitura “LTE” su un dispositivo o in una mappa di copertura, significa che ci si trova su una rete di classe 4G.

Come funziona l’LTE

Le reti LTE utilizzano un’architettura più snella ed efficiente rispetto alle precedenti generazioni di telefonia mobile. Anziché instradare chiamate e dati attraverso diversi livelli di apparecchiature di commutazione, l’LTE sposta gran parte dell’intelligenza di rete verso le stazioni base (chiamate eNodeB) e le collega in modo più diretto alla rete centrale (l’Evolved Packet Core, o EPC). Questo design più snello riduce il numero di salti che i dati devono compiere, diminuendo così la latenza.

Alcune componenti tecniche fondamentali garantiscono le prestazioni dell’LTE:

• OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). L’LTE suddivide il proprio canale radio in numerose sottoportanti strette, consentendo alla rete di allocare la larghezza di banda in modo efficiente tra molti dispositivi connessi contemporaneamente, il che è fondamentale quando centinaia di dispositivi IoT condividono la stessa cella.
• Aggregazione delle portanti. Le implementazioni LTE più recenti possono combinare più bande di frequenza in un’unica connessione, aumentando la larghezza di banda disponibile senza bisogno di nuovo spettro.
• Varianti FDD e TDD. L’LTE può funzionare in modalità Frequency-Division Duplex (frequenze separate per l’upload e il download, diffusa nei Paesi nordici) o in modalità Time-Division Duplex (frequenza condivisa, suddivisa nel tempo), a seconda dello spettro a disposizione dell’operatore.
• L’LTE-M (LTE Cat-M1) è una versione a basso consumo dell’LTE progettata specificamente per i dispositivi IoT che necessitano di velocità di trasmissione moderate, supporto alla mobilità e lunga durata della batteria. Si pensi ai localizzatori di flotte, ai terminali di pagamento e ai dispositivi indossabili.
• NB- è uno standard correlato, ma con potenza e larghezza di banda ancora inferiori, ottimizzato per sensori fissi che inviano piccole quantità di dati a intervalli sporadici, come i contatori intelligenti.
• Lo standard LTE (Cat-1 e superiori) trova ancora impiego per i dispositivi IoT che richiedono una maggiore velocità di trasmissione, come la segnaletica digitale che trasmette contenuti aggiornati in streaming o i sistemi di punti vendita connessi.

In combinazione con canali di frequenza più ampi e un uso più efficiente dello spettro, è proprio questo che conferisce all’LTE il suo vantaggio in termini di velocità e reattività rispetto al 3G.

Categorie LTE e livelli di velocità

Non tutte le connessioni LTE sono uguali. Lo standard LTE definisce diverse “categorie UE” (categorie di dispositivi), ciascuna con un diverso equilibrio tra velocità, complessità e consumo energetico. Ciò influisce direttamente sulla scelta dell’hardware IoT:

La maggior parte dei dispositivi di consumo utilizza Cat-4 o superiore. La maggior parte delle implementazioni IoT non necessita di tanta larghezza di banda e la scelta di una categoria LTE inferiore, come Cat-1, Cat-M1 o Cat-NB1, comporta solitamente moduli più economici, un consumo energetico ridotto e una maggiore durata della batteria, senza rinunciare ai vantaggi di copertura offerti dall’utilizzo di un’infrastruttura 4G consolidata.

Perché l’LTE è ancora importante per l’IoT

Gli operatori hanno realizzato appositamente quell’infrastruttura condivisa. L’LTE era stato originariamente progettato per la banda larga mobile, non per sensori alimentati a batteria che inviano poche centinaia di byte al giorno. Il 3GPP ha aggiunto la modalità di risparmio energetico, l’eDRX e le modalità a banda stretta per adattare la rete a questa nuova domanda.

Gli operatori avevano chiari motivi per estendere l’LTE in questo modo invece di costruire qualcosa di separato:

• Copertura esistente: avevano già investito miliardi nella rete LTE a livello nazionale e i dispositivi IoT potevano utilizzarla immediatamente.

• Software anziché hardware: molte stazioni base hanno aggiunto il supporto per l’IoT tramite un aggiornamento, non con nuove apparecchiature.

• Spettro concesso in licenza: il rischio di interferenze è rimasto basso, un fattore concreto per gli SLA industriali e dei servizi pubblici.

• Sicurezza integrata: l’autenticazione basata su SIM forniva a ogni dispositivo la stessa radice di fiducia hardware che gli operatori utilizzavano già per i telefoni.

La dismissione delle reti 2G e 3G ha trasformato quel vantaggio in un requisito imprescindibile. Secondo la GSA, a metà del 2026 saranno stati completati, pianificati o saranno in corso oltre 300 spegnimenti in circa 90 paesi; il Nord America avrà sostanzialmente completato il processo entro il 2023, mentre il 3G in Europa verrà disattivato entro la fine degli anni 2020. I dispositivi che funzionano ancora su quelle vecchie reti necessitano di una nuova connettività. LTE, LTE-M e NB-IoT rappresentano la soluzione di sostituzione diretta, già integrata nelle stesse relazioni con gli operatori e nella stessa copertura di rete.

In che modo i dispositivi IoT basati su LTE consentono effettivamente di risparmiare energia

L’LTE è stato progettato per gli smartphone, che rimangono attivi tutto il giorno e si ricaricano di notte. I sensori IoT alimentati a batteria funzionano in modo diverso: trasmettono raramente e necessitano di anni di autonomia con una sola batteria. La modalità di risparmio energetico (PSM) e la ricezione discontinua estesa (eDRX) sono i due standard 3GPP che colmano questa lacuna.

La modalità di risparmio energetico, introdotta nella versione 12 del 3GPP, consente a un dispositivo di negoziare due timer con la rete. Dopo aver inviato i dati, rimane raggiungibile per una breve finestra del timer attivo, quindi entra in modalità di sospensione profonda. Rimane registrato, saltando una riconnnessione completa al risveglio. La corrente in modalità sleep scende a valori nell’ordine dei microampere a una cifra, con un periodo massimo di sleep di 413 giorni.

L’eDRX, aggiunto nella Release 13, mantiene il dispositivo in ascolto per brevi periodi alle chiamate di rete a intervalli più lunghi, anziché spegnere completamente la radio. I dispositivi LTE-M possono estendere tale ciclo oltre i 40 minuti, sacrificando il risparmio energetico a favore di una raggiungibilità più rapida.

La maggior parte delle implementazioni combina entrambe le funzionalità. Un dispositivo LTE-M senza risparmio energetico assorbe oltre 1 mA in modo continuo. Con PSM ed eDRX abilitati, la corrente media scende a decine di microampere. Questa è la differenza tra mesi e anni di autonomia della batteria.

Casi d’uso reali dell’IoT basato su LTE

Contatori intelligenti

HEDNO, il distributore nazionale di energia elettrica della Grecia, sta implementando NB-IoT e LTE-M su 7,7 milioni di contatori, con letture ogni 15 minuti e rilevamento remoto delle interruzioni di corrente. In Svezia, Telia ha collegato oltre due milioni di contatori elettrici intelligenti utilizzando LTE-M (Cat-M1) per aziende di servizi pubblici quali E.ON, Ellevio e Kraftringen.

Tracciamento di beni e flotte

LTE-M e Cat-1 gestiscono la mobilità. I dispositivi passano da una cella all’altra mentre si spostano, mantenendo la telemetria quasi in tempo reale. La logistica, le attrezzature edili e il tracciamento delle merci transfrontaliere si affidano a questa combinazione.

Agricoltura di precisione

I sensori di umidità del suolo, temperatura e irrigazione rimangono fissi in un punto per anni, inviando piccole letture secondo una programmazione prestabilita. LTE-M e NB-IoT, abbinati a PSM ed eDRX, garantiscono abitualmente una durata della batteria compresa tra 5 e 15 anni, riducendo la necessità di interventi per la sostituzione delle batterie nei grandi campi.

Altri casi d’uso

I sensori delle città intelligenti monitorano la qualità dell’aria, il rumore e i parcheggi. Il monitoraggio industriale copre condutture, serbatoi e attrezzature in luoghi difficili da raggiungere. Il monitoraggio della catena del freddo segnala temperatura e umidità a intervalli prestabiliti o in caso di superamento delle soglie.

Ciascuno di questi casi d’uso si basa sugli stessi tre punti di forza della tecnologia LTE: copertura esistente, identità basata su SIM e sicurezza a livello di rete, che le tecnologie senza licenza come LoRaWAN non offrono di serie.

LTE e LTE-M nelle implementazioni IoT nei Paesi nordici: esempi di clienti Com4

Il modo più chiaro per comprendere cosa consenta effettivamente la connettività basata su LTE è osservare come viene utilizzata oggi. Questi esempi riguardano tutti clienti reali di Com4 e spaziano dall’LTE standard, all’LTE-M, fino all’accesso wireless fisso basato su LTE.

ZetaDisplay: mantenere attiva la segnaletica digitale in tutti i Paesi nordici. Gli schermi di ZetaDisplay funzionano in luoghi dove è difficile o impossibile installare linee fisse, tra cui le fermate degli autobus, il treno espresso per l’aeroporto di Oslo e il più grande pannello informativo digitale d’Europa alla Stazione Centrale di Oslo. Ogni display combina un modem 4G industriale con una SIM Com4, garantendo allo schermo un collegamento sicuro e sempre attivo al proprio sistema di gestione dei contenuti basato sul cloud anche laddove il Wi-Fi e la fibra ottica non rappresentano opzioni affidabili. Tutto il traffico è protetto tramite VPN e crittografia, e le informazioni urgenti, come gli orari di partenza dei treni, possono essere aggiornate in pochi secondi.

Just Eat Norvegia: connettività mobile per una rete nazionale di chioschi. L’attività norvegese di Just Eat è passata dai fax all’ISDN e poi alle reti mobili come metodo di comunicazione principale. La connettività di Com4 ora porta online i chioschi e i terminali di vecchia generazione in tutto il paese, collegando ogni dispositivo a un sistema centrale che i ristoranti partner utilizzano per gestire gli ordini e aggiornare le informazioni. Il risultato, secondo Just Eat, è stata una disponibilità costante senza tempi di inattività attribuibili al livello di connettività.

Soundsensing: LTE-M per sensori compatti in edifici ad alta densità. Soundsensing produce sensori che monitorano i macchinari degli edifici, come i sistemi di ventilazione, e utilizzano l’apprendimento automatico per segnalare rumori anomali prima che le apparecchiature si guastino. I sensori sono di piccole dimensioni e spesso installati nei seminterrati, il che rende l’LTE-M una soluzione ideale: offre una larghezza di banda sufficiente per le esigenze dei sensori, un’elevata efficienza energetica per una lunga durata della batteria e una maggiore penetrazione all’interno degli edifici, grazie al design dell’LTE-M. Soundsensing dispone ora di oltre 1.500 sensori operativi in 150 edifici, tra cui siti per Statsbygg e il Comune di Oslo, grazie alla connettività LTE-M di Com4.

Remora Robotics: accesso wireless cellulare e fisso per il monitoraggio in tempo reale. I robot subacquei autonomi di Remora puliscono le gabbie per pesci negli impianti di acquacoltura norvegesi, e il loro centro operativo a Stavanger necessita di video in tempo reale e dati dei sensori per monitorare le operazioni e addestrare l’IA dei robot. Com4 fornisce accesso wireless fisso e connettività cellulare che collegano le gabbie al centro operativo, supportando una flotta le cui dimensioni sono più che raddoppiate tra il 2023 e il 2024.

Gomero: IoT cellulare per la manutenzione predittiva in nove paesi. Gomero utilizza la connettività mobile di Com4 per raccogliere dati in tempo reale dalle apparecchiature presso le sedi dei clienti per oltre 100 aziende in nove paesi, consentendo il passaggio da una manutenzione programmata a una manutenzione predittiva basata sulla domanda. Il responsabile tecnologico di Gomero ha riconosciuto a Com4 il merito di fornire una connessione affidabile in ogni paese in cui operano, aspetto fondamentale quando i dati sullo stato delle apparecchiature devono arrivare in modo costante indipendentemente dalla posizione.

Considerazioni sulla sicurezza dell’LTE

La sicurezza dell’LTE si basa su tre pilastri: autenticazione reciproca, crittografia a più livelli e una “root of trust” basata sulla SIM. Ciascuno di essi affronta un diverso tipo di rischio e, insieme, conferiscono all’LTE una base di sicurezza più solida rispetto al 2G o alle prime versioni del 3G. Rimangono alcune lacune, come discusso di seguito, e colmarle richiede una configurazione mirata.

Autenticazione reciproca di rete

L'EPS-AKA viene eseguito tra la SIM e l’Home Subscriber Server della rete al momento della connessione, e ciascuna parte conferma l’identità dell’altra. Questo controllo bidirezionale colma una lacuna del 2G, in cui stazioni base contraffatte potevano intercettare il traffico poiché la rete non veniva mai verificata.

Chiavi di crittografia a più livelli

La segnalazione e la maggior parte dei dati utente sono crittografati con AES, SNOW 3G o ZUC. Una chiave radice presente sulla SIM genera chiavi separate per la crittografia della segnalazione, dell’accesso radio e del piano utente, in modo che una compromissione a un livello non esponga un altro.

Lacune di sicurezza note

La protezione dell’integrità del piano utente è opzionale, pertanto le applicazioni non dovrebbero fare affidamento esclusivamente sulla rete per rilevare eventuali manomissioni. Diameter, il protocollo di segnalazione tra operatori, può rivelare la posizione dell’abbonato o consentire frodi se configurato in modo errato.

Rafforzamento delle implementazioni LTE

Mantenere attivi la crittografia e il controllo di integrità, non accettare mai un algoritmo nullo e aggiungere la crittografia TLS o a livello di applicazione per i payload sensibili. Utilizzare APN privati per tenere il traffico fuori dalla rete Internet aperta e mantenere un percorso OTA in modo che le patch vengano applicate ai dispositivi sul campo.

La sicurezza a livello di SIM protegge il livello di rete. Aggiungere la crittografia a livello di applicazione per qualsiasi dato sensibile: insieme, queste misure coprono la maggior parte delle minacce del mondo reale.

LTE vs. 4G vs. 5G: la versione breve

Per la stragrande maggioranza delle applicazioni IoT, quali il tracciamento delle risorse, la misurazione, il monitoraggio remoto e gli esempi di segnaletica digitale e robotica sopra citati, la connettività basata su LTE (tramite LTE standard, LTE-M o NB-IoT) offre il giusto equilibrio tra copertura, costo ed efficienza energetica. La latenza ultra-bassa e l’enorme larghezza di banda del 5G sono fondamentali per una gamma più ristretta di casi d’uso, come l’automazione industriale o le applicazioni con un elevato utilizzo di video.

Scegliere la rete giusta per i propri dispositivi IoT

Lo standard di rete più adatto dipende interamente da ciò che il dispositivo deve fare. Prima di specificare l’hardware, è bene porsi le seguenti domande:

1. Quanti dati invia il dispositivo e con quale frequenza? I carichi utili frequenti o di grandi dimensioni, come gli aggiornamenti dei contenuti di ZetaDisplay, favoriscono l’LTE standard. Le letture piccole e sporadiche, come i dati dei sensori di Soundsensing, favoriscono l’LTE-M o l’NB-IoT.
2. Il dispositivo è in movimento? I dispositivi mobili richiedono LTE-M o LTE standard, entrambi in grado di supportare l’handover tra celle. I sensori fissi possono sfruttare il maggiore risparmio energetico offerto da NB-IoT.
3. Qual è il budget energetico? I dispositivi alimentati a batteria con durata pluriennale dovrebbero privilegiare di default l’LTE-M o l’NB-IoT rispetto alle categorie LTE superiori.
4. Qual è l’ambiente di implementazione? Scantinati, strutture chiuse e siti remoti traggono vantaggio dalla maggiore penetrazione del segnale di LTE-M e NB-IoT rispetto alle categorie LTE superiori.
5. È disponibile una connettività via linea fissa? Laddove la fibra ottica o il cavo non siano praticabili, come nelle fermate degli autobus o nei siti di acquacoltura offshore, l’accesso wireless fisso basato su LTE può sostituirli completamente.

Com4 aiuta le aziende ad abbinare i dispositivi IoT alla rete sottostante più adatta, che si tratti di LTE standard, LTE-M, NB-IoT o accesso wireless fisso basato su LTE, e fornisce la connettività SIM corrispondente, in modo che i dispositivi rimangano online ovunque vengano implementati nei Paesi nordici e oltre.