NB-IoT, LTE-M, LoRaWAN o Cat-M: quale rete scegliere?

Ciascuna di esse è stata progettata tenendo conto di un diverso compromesso tra autonomia, consumo energetico, larghezza di banda, mobilità e costo dell’infrastruttura, e nessuna di esse è oggettivamente la “migliore”. La scelta giusta dipende interamente da ciò che un determinato dispositivo deve effettivamente fare. Questa guida analizza in dettaglio le specifiche tecniche alla base di ciascuna opzione e illustra un quadro decisionale che consente di abbinare fin da subito i requisiti del dispositivo alla rete più adatta.

Punti chiave:

• NB-IoT e LTE-M sono entrambi standard LPWAN cellulari che funzionano sull’infrastruttura degli operatori, ma offrono velocità di trasmissione dati molto diverse in cambio di efficienza energetica e supporto alla mobilità.
• LTE Cat-1 si colloca a metà strada tra LTE-M e il 4G completo, offrendo fino a 10 Mbps in downlink e 5 Mbps in uplink per casi d’uso IoT che richiedono una larghezza di banda maggiore rispetto ai sensori di tipo "metering".
• LoRaWAN non è affatto uno standard cellulare. Funziona su un’infrastruttura di proprietà dell’azienda che lo implementa, barattando tale controllo con il minor costo per dispositivo su larga scala in un singolo sito.
• La perdita massima di accoppiamento (MCL) è la misura tecnica della profondità di penetrazione del segnale di una rete ed è un indicatore più affidabile della copertura reale in ambienti interni e sotterranei rispetto alle velocità nominali.
• Scegliere la rete sbagliata comporta costi elevati per la correzione una volta che l’hardware è stato consegnato, poiché la maggior parte di questi standard non è intercambiabile senza una modifica dell’hardware o della SIM.
• Com4 offre connettività NB-IoT, LTE-M, Cat-1, 4G standard e 5G, e aiuta le aziende ad abbinare i requisiti dei dispositivi alla rete più adatta prima di impegnarsi nell’acquisto dell’hardware.

Cosa distingue effettivamente queste quattro opzioni di rete?

A livello tecnico, NB-IoT, LTE-M e Cat-1 sono tutti standard cellulari definiti all’interno della stessa famiglia 3GPP LTE, il che significa che funzionano sull’infrastruttura esistente degli operatori mobili e vengono forniti tramite una scheda SIM esattamente come il 4G standard. LoRaWAN presenta un'architettura diversa: opera su uno spettro non soggetto a licenza tramite gateway che un’azienda in genere possiede e gestisce autonomamente, non attraverso la rete di un operatore di telefonia mobile. Questa singola distinzione, tra infrastruttura cellulare e infrastruttura autonoma, rappresenta il primo e più importante bivio nel processo decisionale, prima ancora che si entri nel merito della velocità di trasmissione dati o del consumo energetico.

NB-IoT: per sensori semplici, fissi e alimentati a batteria

L’NB-IoT (Narrowband IoT) è progettato appositamente per dispositivi che inviano piccole quantità di dati a intervalli sporadici e devono funzionare a batteria per anni senza essere ricaricati. Utilizza una larghezza di banda di canale stretta, di circa 200 kHz, che gli conferisce un’eccezionale efficienza energetica e una profonda penetrazione del segnale in scantinati, camere di servizio sotterranee e interni di edifici densamente costruiti. La specifica originale NB1 offre una velocità di trasmissione dati di picco di circa 26 Kbps in downlink e 66 Kbps in uplink; il più recente standard NB2 la raddoppia approssimativamente, portandola a circa 127 Kbps in downlink e 159 Kbps in uplink. La perdita di accoppiamento massima (MCL) dell’NB-IoT, pari a 164 dB, è la più elevata tra le opzioni cellulari qui considerate, il che significa che è in grado di mantenere una connessione attraverso un numero maggiore di ostacoli fisici rispetto all’LTE-M o al Cat-1; questo è esattamente il motivo per cui rappresenta la scelta predefinita per contatori intelligenti di acqua e gas, sensori ambientali e tag di tracciabilità in luoghi fissi e di difficile accesso.

LTE-M (Cat-M1): per dispositivi mobili o con traffico dati moderato

L’LTE-M, standardizzato come Cat-M1, utilizza una larghezza di banda di canale più ampia (1,4 MHz) rispetto all’NB-IoT e offre una velocità di trasmissione significativamente più elevata, fino a circa 1 Mbps, con prestazioni tipiche in downlink più vicine ai 300 Kbps. Fondamentalmente, LTE-M supporta l’handover tra ripetitori, il che significa che un dispositivo può spostarsi tra aree di copertura e rimanere connesso proprio come fa un telefono, cosa che l’NB-IoT non supporta in modo affidabile. L’MCL di LTE-M si attesta a 160,7 dB sulle reti 4G (164 dB dove è disponibile il supporto 5G NR), leggermente inferiore a quello di NB-IoT, sacrificando una piccola quantità di profondità di penetrazione a vantaggio della mobilità e della velocità di trasmissione dati. In alcune implementazioni, l’LTE-M supporta anche il fallback vocale, cosa che l’NB-IoT non fa. Questa combinazione lo rende la scelta giusta per qualsiasi dispositivo in movimento: localizzatori per veicoli, terminali di pagamento mobili e dispositivi medici portatili.

LTE Cat-1: per l’IoT cellulare che richiede maggiore larghezza di banda

L’LTE Cat-1 si colloca, in termini di capacità, tra l’LTE-M e il 4G consumer completo, offrendo fino a 10 Mbps in downlink e 5 Mbps in uplink, un throughput parecchie volte superiore a quello dell’LTE-M, pur mantenendo un prezzo e un posizionamento pensati per casi d’uso machine-to-machine e IoT piuttosto che per la connettività di livello smartphone. La sua perdita massima di accoppiamento è superiore sia a quella dell’LTE-M che a quella dell’NB-IoT, poiché il Cat-1 non è stato progettato con la stessa ottimizzazione estrema in termini di potenza e portata. Il Cat-1 è adatto ad applicazioni quali terminali di punto vendita connessi, segnaletica digitale e sistemi telematici che necessitano di una larghezza di banda significativamente maggiore rispetto a un sensore di tipo di misurazione, ma non richiedono tutta la complessità e i costi di un modulo 4G standard. Una variante correlata, il Cat-1bis, semplifica la configurazione dell’antenna per ridurre ulteriormente il costo del modulo, mantenendo prestazioni simili.

LoRaWAN: per reti di sensori private e basate su sito

A differenza delle tre opzioni cellulari sopra citate, LoRaWAN non si avvale affatto dell’infrastruttura degli operatori di telefonia mobile. Richiede l’implementazione e la manutenzione di gateway propri, oppure l’abbonamento a una rete regionale condivisa, laddove esistente. In cambio di tale responsabilità infrastrutturale, LoRaWAN può risultare significativamente più conveniente su larga scala in un unico sito fisso, come una fabbrica, un'azienda agricola, un porto o un campus, dove l’azienda controlla l’area di copertura e i dispositivi non devono mai spostarsi al di fuori di essa. La guida dedicata di Com4 a LoRaWAN illustra l’architettura di rete, le classi di dispositivi e le bande di frequenza con tutti i dettagli tecnici.

Confronto delle specifiche tecniche: NB-IoT vs LTE-M vs Cat-1 vs LoRaWAN

Perché la perdita massima di accoppiamento è più importante della velocità nominale?

La perdita massima di accoppiamento, o MCL, misura la perdita totale di segnale che una rete può tollerare tra una stazione base e un dispositivo pur mantenendo una connessione utilizzabile, espressa in decibel. Un MCL più elevato significa che una rete è in grado di mantenere la connettività attraversando più pareti, a maggiore profondità nel sottosuolo o su una distanza più lunga, il che la rende un parametro di gran lunga più utile per prevedere la copertura nel mondo reale rispetto alla velocità di trasmissione dati di picco. Questo è proprio il motivo per cui l’NB-IoT, nonostante abbia la velocità di trasmissione più bassa tra le opzioni cellulari, è spesso la scelta giusta per dispositivi installati in scantinati, vani tecnici sotterranei o all’interno di apparecchiature industriali: la sua larghezza di banda ridotta è ciò che garantisce un margine di perdita di accoppiamento più ampio.

Come scegliere: un quadro decisionale passo dopo passo

Esaminate queste domande in ordine, poiché ciascuna di esse elimina delle opzioni anziché classificarle:

1. Il dispositivo deve spostarsi e rimanere connesso tra diverse aree di copertura? Se sì, ciò indica LTE-M o Cat-1, poiché NB-IoT e LoRaWAN non supportano in modo affidabile la mobilità basata sull’handover.
2. Si ha il controllo del sito di implementazione, e si tratta di un’unica posizione fissa? Se sì, e il numero di dispositivi è sufficientemente elevato da giustificare un’infrastruttura gateway, vale la pena valutare LoRaWAN per l’efficienza in termini di costi su larga scala.
3. Quanti dati invia il dispositivo e con quale frequenza? Payload piccoli e poco frequenti favoriscono NB-IoT o LoRaWAN; dati più ricchi e frequenti indicano LTE-M o Cat-1.
4. Quanto deve durare la batteria senza necessità di sostituzione? Una durata pluriennale della batteria favorisce nettamente NB-IoT o LoRaWAN rispetto a LTE-M o Cat-1, che consumano più energia per supportare un throughput e una mobilità più elevati.
5. Quanto è profonda o ostruita la posizione di installazione? Scantinati, caveau sotterranei e interni di edifici con struttura compatta favoriscono il MCL più elevato di NB-IoT rispetto a LTE-M o Cat-1.
6. Il dispositivo necessita di un fallback vocale o di aggiornamenti del firmware che richiedono una maggiore larghezza di banda? In tal caso, LTE-M o Cat-1 sono le uniche opzioni realistiche tra gli standard cellulari.