PLC Storia e Sviluppo

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1 T/F T SKYPE / VOPCHEAP ID: EDUSVR Partita I.V.A PLC Storia e Sviluppo Capitolo 1 Nascita delle PLC 1.1 Nascita delle PLC Ripercorriamo velocemente le tappe fondamentali che hanno caratterizzato la storia delle PLC. Riteniamo questo molto utile soprattutto per capire il percorso e l'evoluzione logica continua che c'è dietro ai vari progetti, che beneficiando degli enormi passi avanti compiuti nell'ultimo secolo nel campo dei dispositivi elettronici, sono diventati via via sempre più ambiziosi ed arditi. Ci rendiamo conto comunque che parlare di storia di sistemi che, almeno da un punto di vista di disponibilità sul mercato, in gran parte devono ancora "nascere" può sul momento lasciare perplessi. 1

2 In realtà l'idea di sfruttare la rete di distribuzione dell'energia elettrica per scopi diversi da quelli per cui era stata progettata, con indubbi vantaggi economici visto che si trattava di un mezzo già cablato e disponibile, è piuttosto vecchia e risale addirittura agli anni '20. In quegli anni i cavi d'alta tensione erano considerati come una possibile alternativa all'installazione di costosi cavi pilota, specialmente nelle aree più remote dove distanze di alcune centinaia di chilometri erano tutt'altro che rare. La prima esigenza è stata quindi quella di soddisfare il bisogno di un controllo e di un monitoraggio remoto della rete, ma già allora si iniziava a considerare la possibilità di trasmettere anche la voce. Escluse rare eccezioni, le comunicazioni su linee elettriche erano limitate alla parte di rete sopra agli 11 kv, che correva da punto a punto tra sottostazioni. A questi voltaggi sia le linee che i trasformatori provocavano altissime attenuazioni sui segnali. In genere venivano usate frequenze sotto i 150 khz (come stabilito poi dal CENELEC nel EN500651), e l'intensità dei segnali irradiati costituiva un grosso problema. La scelta delle frequenze di lavoro è sempre stata fatta cercando proprio di non interferire con altri servizi già esistenti come quelli d'aiuto alla navigazione aerea o di radiodiffusione: solo alle applicazioni che richiedevano brevissimi slot temporali erano consentiti livelli di potenza e frequenze proibite ai sistemi di telemetria o di traffico voce. L'uso di sistemi in bassa frequenza su linee di alta tensione, soprattutto per la trasmissione di segnali legati al monitoraggio, al controllo remoto e alla voce, si diffuse tantissimo negli anni '50 nonostante gli alti costi dovuti ai dispositivi di accoppiamento con le linee elettriche. Soprattutto nelle zone più remote questa soluzione era comunque di gran lunga più conveniente dell'utilizzo di cavi pilota. Il costo dei sistemi di accoppiamento in alta tensione dipendeva dal fatto che dovevano essere istallati sia in serie che in parallelo con i circuiti di alta tensione: le bobine di blocco in serie dovevano trasferire il carico sulle linee elettriche e sostenere il livello di corrente, mentre gli accoppiatori capacitivi dovevano sostenere le tensioni. Erano disponibili sia la tecnica di trasmissione fase-fase che quella fase-terra, con costi però diversi. Chi poteva permetterselo preferiva la trasmissione fase-fase che garantiva: - Minore attenuazione; Migliori rapporti segnale rumore; Minori variazioni del livello di attenuazione dovute alle condizioni atmosferiche; Minor livello di segnali irradiati. Nel sistema fase-terra la perdita del conduttore di fase produceva anche la perdita di segnale, nel sistema fase-fase solo un leggero aumento dell'attenuazione. Il maggior costo del sistema fase-fase era dovuto al fatto che richiedeva chiaramente il doppio degli accoppiatori in alta tensione dell'altro. Le reti di cui abbiamo finora parlato erano quelle di alto voltaggio con poche o nessuna discontinuità: fornivano quindi la più stabile struttura possibile per le comunicazioni su linee elettriche. Nonostante questo l'interferenza dovuta al rumore (principalmente generato da archi elettrici) era notevole su tutto lo spettro soprattutto in termini di riduzione del rapporto segnale rumore, e fortemente influenzata, in maniera negativa, dalle cattive condizioni atmosferiche. Comunque anche nelle peggiori condizioni il rapporto segnale rumore si manteneva accettabile su lunghezze dell'ordine dei 185 km. Un'altra sorgente di rumore era costituita dalle operazioni di commutazione ed isolamento, che producevano rumore su larga banda con picchi di notevole ampiezza, tuttavia per la loro brevità questi fenomeni non infastidivano più di tanto. Una tecnica, di discreto successo, alternativa a quella degli 11 kv nacque dallo sviluppo del Ripple Control che inviava toni ad audio frequenza (AF) sul segnale elettrico in bassa tensione per trasmettere dei semplici comandi on/off. In pratica questa tecnica (che fu studiata per prima a Davos in Svizzera nel 1929) modulava la frequenza principale con dei burst di segnale ad audio frequenza, ogni uno dei quali durava diversi cicli della frequenza principale. Un certo numero di questi burst in AF veniva poi unito per formare un segnale codice che poteva essere ricevuto e decifrato lungo vari punti della rete. Questo sistema era utilizzato per accendere o spengere un gran numero di unità simili come lampioni per l'illuminazione pubblica o di attività commerciali, riscaldamenti e contatori multi-tariffa. 2

3 Diverse audio frequenze erano utilizzate per differenti applicazioni consentendo così di avere un certo numero di servizi sullo stesso sistema. Opportuni circuiti accordati nel ricevitore rilevavano solo i segnali relativi alle loro applicazioni. Benché modulare il segnale principale con segnali AF richiedesse un equipaggiamento molto costoso e bisognoso di manutenzione continua dispositivi Ripple Control erano ancora in produzione verso la fine degli anni '60 alla Landys & Gyr. Sul finire degli anni '50 furono prodotti comunque sistemi più economici, di dimensione e manutenzione più ridotta. Peak Depression ad esempio anziché modulare il segnale a 50/60 Hz in maniera continua, "segnava" un numero discreto di cicli mediante brevi e precisi cortocircuiti. In pratica in corrispondenza di punti ben precisi sull'onda di tensione si avevano per pochi microsecondi dei picchi di corrente (200/300 A) molto appuntiti. Una serie di questi veniva utilizzata per formare un "telegramma", che comprendeva appunto 3 impulsi posizionati nel sedicesimo ciclo del segnale a 50/60 Hz. Questo tipo di modulazione limitata ad una piccola zona intorno a zero Volt si rivelò meno sensibile ai disturbi e alle interferenze provocate dalle variazioni dei carichi sulla linea, e ridusse l'attenuazione sul segnale ad un livello molto basso migliorandone quindi la ricevibilità. Un'altra tecnica conosciuta come Cyclocontrol, aumentò la complessità di codifica per migliorare l'indirizzamento: in 34 cicli erano disponibili 165 indirizzi discreti con quattro possibili istruzioni. Ripple Control e i suoi successori sono stati usati sulle reti europee per molti anni e, benché obsoleti, esemplari operativi possono essere trovati ancora oggi. Nel 1936 Bell Telephone Laboratories iniziarono a studiare la possibilità di sfruttare le linee elettriche per supportare il servizio telefonico ai clienti sparsi nelle zone più rurali degli Stati Uniti. L'idea di lavorare in banda base fu subito scartata perché sovrastare il rumore richiedeva una potenza troppo elevata. Si scelse così di lavorare con frequenze tra i 150 e i 450 khz, perché sotto i 150 khz si avevano problemi di accoppiamento, mentre sopra i 455 khz l'attenuazione e l'interferenza dovuta alle stazioni radio diventava elevata. Il sistema era progettato per lavorare sulla tipica rete di distribuzione rurale americana, composta da un conduttore monofase a 7 kv e 60 Hz, con un filo neutro in basso che di tanto in tanto era interrato. Il sistema, che era in grado di coprire distanze dell'ordine di 20 miglia (32 km), fu abbandonato nel 1941 con l'ingresso degli Stati Uniti nella Seconda Guerra Mondiale e ripreso poi nel Dall'Ottobre del 1946 la Bell iniziò poi lo sviluppo di un sistema telefonico su linee elettriche conosciuto come M1 Carrier Telephone System prodotto dalla Western Electric Company. 1.2 Gli ultimi 30 anni Negli ultimi trent'anni il lavoro di sviluppo, condotto principalmente dalle varie compagnie elettriche in collaborazione con alcune università, sulle bande di frequenza stabilite dal CENELEC, si è concentrato sostanzialmente sull'automazione delle funzioni di distribuzione, come lettura automatica del contatore, controllo selettivo del carico e gestione a distanza della rete. Lo scopo di questi lavori in genere era quello di sviluppare un sistema capace di aiutare gli utenti a cambiare la forma della loro curva di assorbimento. Stabilizzando tale curva su tutto l'arco delle 24 ore i produttori di energia elettrica potevano ridurre i costi di produzione: picchi di richiesta, come avviene ad esempio nell'ore dei pasti, richiedono infatti l'uso di impianti veloci nel collegarsi alla rete ma in genere costosi da avviare come le centrali a gas. Rendere quindi la richiesta di energia il più possibile costante e diffusa su tutto l'arco del giorno consentirebbe l'utilizzo di impianti più economici da gestire, giustificando così con una diminuzione dei costi di produzione le maggiori complessità introdotte da questi sistemi. Inoltre questo sistema di gestione della rete consentirebbe facilmente l'implementazione di servizi aggiuntivi altrimenti costosi da realizzare singolarmente, come la lettura automatica del contatore e il monitoraggio continuo della rete. Tutti questi studi hanno portato sicuramente ad una migliore conoscenza della rete e delle sue caratteristiche ma, salvo rare eccezioni, non sono sfociati in prodotti o servizi dal grande successo commerciale. Ecco comunque una breve panoramica dei più significativi tra questi progetti. Verso la metà degli anni '70 la compagnia elettrica del Wisconsin (USA) iniziò a studiare la possibilità di realizzare un sistema sulle sue linee di distribuzione che consentisse una completa gestione dei carichi, ed una lettura remota dei contatori di luce, acqua e gas. Un apposito 3

4 trasponder domestico provvedeva infatti alla gestione di 4 diversi tipi di carico e di 3 contatori, con anche funzioni di memorizzazione dei picchi e degli andamenti dei vari consumi. Nel 1980 South Eastern Electricity Board (GB) sviluppò un dispositivo nominato CALMS (Credit And Load Management System) che si basava su un terminale domestico "intelligente" in grado di utilizzare diversi mezzi di comunicazione (non solamente le linee elettriche) per aumentare lo scambio di informazioni tra l'utente e il gestore dell'energia. Questo permetteva al gestore di utilizzare al meglio le proprie risorse, mentre i vari consumatori potevano controllare direttamente il costo dell'energia elettrica e modificarne il consumo in modo da sfruttare il vantaggio di una tariffazione su fasce orarie. I servizi offerti erano i seguenti: - Misura e registrazione della domanda e del suo picco; - Selezione remota delle tariffe; - Informazioni sui carichi elettrici e sui consumi per aiutare la pianificazione e il controllo della rete; - Controllo remoto di consumi e tariffe; - Lettura remota di 3 contatori; - Pagamenti a distanza; - Limitazione dei carichi per rientrare in un certo tipo di tariffazione o come servizio minimo di emergenza; - Supplire alla mancanza di collegamenti di terra nelle abitazioni degli utenti. Verso la metà degli anni '80 THORN EMI, un consorzio inglese costituito da esponenti dell'industria dell'elettricità, del gas e dell'acqua, supportato dal Ministero dell'industria e Commercio, dal Ministero dell'energia e dalla Ewbank Preece Consulting Ltd, iniziò il collaudo, con circa 1000 utenti, di un particolare sistema di telecontrollo che si basava su un microprocessore progettato e realizzato direttamente dalla THORN EMI stessa. Questo sfruttava una modulazione di tipo Spread Spectrum, che fino ad allora era stata usata quasi esclusivamente per comunicazioni in ambito militare, per cercare di superare i problemi legati al rumore della rete di distribuzione in bassa tensione. Il sistema sotto studio offriva le seguenti funzioni: - Registratore multi tariffa per i contatori acqua, gas, luce; Funzioni di controllo e switch remoti per riscaldamento acqua e ambienti; - Registrazione dell'assorbimento su tutte le 24 ore, a passi di mezz'ora, per l'analisi delle variazioni dei carichi; - Visualizzazione nel tempo del consumo di luce, acqua e gas con previsione di spesa; - Rilevamento di manomissioni. - I risultati del lavoro di collaudo furono incoraggianti per continuare lo sviluppo del sistema. Sul finire degli anni '80 l'enel definì le specifiche per un esperimento sulla propria rete il cui scopo era quello di dimostrare praticamente la possibilità di usare le linee in bassa tensione come mezzo per la trasmissione dati. L'idea dietro a questo progetto, nello sviluppo della cui tecnologia furono coinvolte anche tre aziende del gruppo IRI-STET: Esacontrol, Italtel-SIT, SGS Microelettronica, era quella di ottimizzare l'uso delle risorse disponibili per generare energia elettrica e controllarne il consumo da parte degli utenti. In particolare il progetto prevedeva l'implementazione dei seguenti servizi: Lettura remota del consumo continuo degli utenti connessi; Aggiornamento giornaliero dei carichi; Limitazione al limite contrattuale del consumo di energia dell'utente; Registrazione nell'arco di un mese dei picchi di potenza; Limitazione del consumo globale di energia di tutti gli utenti per sopperire a momentanee carenze di disponibilità; - Confronto tra potenza globale erogata da ogni sottostazione e somma di tutte le potenze di ogni singolo utente per individuare eventuali perdite sulla rete; - Rilevazione di eventuali tentativi di manomissione. - 4

5 Tra la fine degli anni '80 e l'inizio degli anni '90 in Olanda fu sviluppato e testato (anche in Svizzera) da Datawatt un sistema, chiamato Robcom, basato sulla tecnica Spread SpectrumFrequency Hopping. Tale sistema lavorava sia sulle linee a bassa tensione, per la gestione dei carichi, che su quelle a media, per automatizzare la distribuzione. In particolare, per quanto riguarda la rete a media tensione, venivano offerti i seguenti servizi: - Monitoraggio del flusso di energia lungo la rete; Localizzazione dei guasti; Misurazione e controllo continuo del livello di tensione in alcuni punti della rete; Mentre sul tratto a bassa tensione era offerto: - Commutazione tariffe; - Cicli di carico; - Perdite di carico; - Lettura remota del contatore; - Localizzazione guasti. Sempre nello stesso periodo NORWEB (una delle 12 compagnie di energia elettrica del Regno Unito), in collaborazione con Open University, iniziò a studiare quello che possiamo considerare a tutt'oggi un riferimento assoluto: il cosiddetto PowerLine Communications. Questo progetto nacque, come tutti gli altri finora visti, con l'intento di realizzare una gestione dei carichi ed una lettura remota del contatore; ben presto però il team di progettazione arrivò alla conclusione che questo tipo di servizi da solo non bastava a giustificare la grande quantità di denaro necessaria per istallare le infrastrutture necessarie alla loro diffusione su larga scala. Per cercare allora di rendere "vincente" il progetto bisognava offrire dei servizi più appetibili, dei servizi cioè che i consumatori avrebbero comprato volentieri: servizi legati al trasferimento di voce e dati! Questo richiedeva però l'utilizzo di data rate molto più elevati di quelli che le bande di frequenza assegnate dal CENELEC consentivano: fu così che NORWEB, per la prima volta, iniziò a studiare la possibilità di usare frequenze più grandi di 1MHz sulla rete a bassa tensione. L'avvio fu molto promettente e portò ben presto alla realizzazione dimostrativa di una rete telefonica su linea elettrica a Manchester (GB), basata sulla tecnologia CT2 e su equipaggiamenti telefonici prodotti dalla consociata NORTEL Networks. La fusione di quest'ultima con NORWEB (diventata nel frattempo United Utilities) generò nel 1998 la NOR.WEB DPL (Digital Power Line) Ltd, società nata con lo scopo di sviluppare e commercializzare un servizio Internet ad alta velocità su linee elettriche basato su frequenze più grandi di 1MHz. Ma, dopo aver avviato progetti pilota in Inghilterra, Germania e Svezia, e soprattutto dopo aver aperto la strada all'uso delle alte frequenze sulla rete di distribuzione dell'energia elettrica, NOR.WEB DPL Ltd chiuse i battenti nel Settembre del Questo sul momento sembrò essere il colpo di grazia definitivo, con le PLC destinate per sempre a rimanere confinate nel ristretto mercato dell'home automation, vincolate come erano a data rate e bande troppo piccole per realizzare quei servizi di grande diffusione che sembravano invece caratterizzare il crescente mercato delle telecomunicazioni. Invece da allora è stato tutto un fiorire di annunci e progetti, soprattutto per lo sfruttamento della rete in bassa tensione, con un crescendo vertiginoso in termini di frequenze di lavoro e di data rate. Ad onor del vero poco di quanto è stato annunciato o anticipato si è per il momento tradotto in prodotti commerciali, e alle luci hanno continuano ad alternarsi ombre come il recente abbandono di Siemens (abbandono parziale, visto che comunque continua a produrre dispositivi a bassi bit rate per home automation). Comunque in attesa di qualcosa di sempre più concreto e soprattutto di una più adeguata normativa di assegnazione delle frequenze le PLC sembrano quanto mai vive, fosse altro per i grandi interessi in gioco. Rimandando al CAP.6 una più accurata descrizione dei progetti più recenti, anticipiamo comunque che al momento una divisione brutale e quindi impropria vede l'europa e la Germania in particolare (con esperimenti pilota in corso in diverse città tedesche, e non solo, da parte principalmente di Ascom e di Oneline AG, quest'ultima in collaborazione con Enikia e VEBA) concentrarsi sulle PLC soprattutto in termini di possibile alternativa per "l'ultimo miglio", mentre gli Stati Uniti con in testa 5

6 due grandi associazioni, l'homeplug Powerline Alliance e il CEA R-7.3 Committee, sembrano essere maggiormente attratti dall'uso di questa tecnologia all'interno delle varie abitazioni. Al di là degli specifici interessi dei vari gruppi industriali, questa divisione ha comunque spiegazioni tutt'altro che casuali. Una, tra l'altro, è legata al numero di abitazioni che ogni trasformatore serve: dalle 5 alle 10 nel Nord America contro le circa 150 dell'europa. Siccome il segnale delle PLC non può, chiaramente, attraversare i trasformatori, in ogni sottostazione di trasformazione deve essere installata un'apparecchiatura per supportare il segnale. Appare chiaro quindi come, a parità di utenti serviti, nel contesto nord americano i costi di installazione per consentire la copertura dell'ultimo miglio siano in teoria molto più difficili da ammortizzare: ciò rende di conseguenza questo tipo di applicazione molto meno invitante. 6

7 Capitolo 2 Gli Standard 2.1 Standard frequenziali Prima di fare una carrellata sui sistemi già disponibili sul mercato conviene considerare un attimo le normative che hanno sinora regolato le PLC. In particolare ci concentreremo adesso sulla parte che riguarda l'assegnazione delle frequenze, rimandando al CAP.5 la parte che si occupa delle emissioni elettromagnetiche. In Europa gli slot frequenziali a disposizione per eventuali sistemi di comunicazione su linee elettriche in bassa tensione sono quelli stabiliti dal CENELEC (Committee European de Normalisation Electrotechnique) nella normativa EN del Questa consente l'uso di un range di frequenze che va da 3 khz a 148,5 khz, suddiviso in 5 sottobande ogni una con scopo diverso: Banda A (da 40 khz a 90 khz) ad uso esclusivo delle industrie fornitrici di energia elettrica; Banda B (da 110 khz a 125 khz) per sistemi che richiedono presenza continua di canale disponibile, occasionalmente può essere utilizzata per inviare altri tipi di segnalazioni; - Banda C (da 125 khz a 140 khz) per sistemi che funzionano in time sharing o a burst, e che quindi non occupano continuativamente il canale; - Banda D (da 140 khz a 150 khz) per sistemi di sicurezza e antincendio; - Banda E (da 3 khz a 8,5 khz) ancora per sistemi che usano continuativamente il canale. - 7

8 La regolamentazione Nord Americana e Giapponese risulta invece leggermente più permissiva, consentendo l'uso di frequenze fino a 525 khz, cioè fino alle soglie del campo di trasmissione della radiodiffusione AM. Partendo da questo scenario è utile fare qualche considerazione. Innanzitutto sappiamo che la larghezza della banda disponibile per un qualunque sistema di comunicazione è direttamente legata al bit rate, nel senso che più sono alti i bit rate che si 8

9 vogliono raggiungere più grande sarà la banda necessaria al mio sistema: quindi un qualunque tipo di limitazione sulla larghezza di banda disponibile si traduce in un limite al valore massimo del bit rate che posso ottenere. Per fare un confronto equo tra diversi sistemi conviene allora riferirsi ad un parametro detto "efficienza di banda" così definito: dove Rb è il bit rate del sistema mentre W è la larghezza della banda occupata. Ora possiamo fare un esempio pratico. Un normale modem telefonico può raggiungere un bit rate di 56 kbps in download e un bit rate di 28,8 kbps in upload su una banda di poco più di 3 khz (300 Hz khz): quindi la sua efficienza di banda è di circa 19 bit/s/hz in download e 10 bit/s/hz in upload. Supponendo di utilizzare un dispositivo analogamente efficiente sulle linee elettriche, considerando le limitazioni imposte sulla banda, mi ritroverei la seguente situazione: - Banda A bit rate massimo di 1 Mbps in downstream e di 480 kbps in upstream; Banda B bit rate massimo di 285 kbps in downstream e di 144 kbps in upstream; Banda C bit rate massimo di 285 kbps in downstream e di 144 kbps in upstream; Banda D bit rate massimo di 190 kbps in downstream e di 96 kbps in upstream; Banda E bit rate massimo di 104 kbps in downstream e di 53 kbps in upstream.; Questo significa che potendo utilizzare contemporaneamente le bande A, B e E al massimo data rate consentito (si consideri però che le bande B e C possono essere utilizzate solo per brevi slot temporali) riuscirei ad avere un bit rate (ipotetico) di 1.5 Mbps in downstream e di 700 kbps in upstream, da dividere poi chiaramente tra tutti gli utenti del sistema Nella normativa Nord Americana le prestazioni, chiaramente, sono leggermente migliori. Appare chiaro comunque che, se il mio obbiettivo è quello di offrire servizi più evoluti di un semplice controllo remoto, come appunto un collegamento Internet a larga banda, video di alta qualità o anche semplicemente collegare in LAN dei computer, il sistema è assolutamente insufficiente. Abbiamo quindi individuato il primo grande nodo che "lega" l'attuale sviluppo delle PLC: la mancanza di una nuova e, alla luce delle recenti potenzialità tecnologiche, più adeguata normativa di assegnazione delle frequenze. In particolare, per poter raggiungere bit rate adeguati a garantire servizi di grande interesse commerciale (come quelli accennati poco prima) il campo ottimale di lavoro sembra essere quello compreso tra 1 MHz e 30 MHz. Anche se questo apre la porta a tutta una nuova serie di problemi legati alla compatibilità con i sistemi che già operano in questa banda (come ad esempio servizi di radiodiffusione e di controllo/aiuto alla aeronavigazione), riuscire a rendere presto disponibile, in termini legislativi, questo range di frequenze giocherà sicuramente un ruolo decisivo per il futuro sviluppo delle PLC. Comunque la situazione attuale poteva essere facilmente prevista, considerando ad esempio che la EN è ormai una normativa vecchia di 10 anni e, soprattutto, che è nata con lo scopo di regolamentare solo dispositivi di rilevamento e controllo remoto su linee elettriche (sia quelle appartenenti alla rete di distribuzione dell'energia che quelle all'interno delle abitazioni dei vari utenti). 2.2 Standard presenti sul mercato In questi anni le industrie impegnate nelle PLC hanno sviluppato un certo numero di standard che, nel rispetto delle normative frequenziali, sono caratterizzati da bit rate relativamente bassi, e quindi indirizzati soprattutto alla realizzazione di sistemi di controllo/lettura remota delle rete e del contatore o di home automation. 9

10 Si tratta quindi di sistemi che concettualmente, alla luce soprattutto dei nuovi (annunciati) progetti, appartengono ormai al passato delle PLC, ma che da un punto di vista di mercato continuano ad essere gli unici prodotti disponibili basati su linee elettriche. Diamo quindi un'occhiata a quelli che, senza dubbio, sono i più significativi, e cioè: X-10, Intellon CEBus, Echelon LONWorks, Intelogis PLUG-IN X-10 La tecnologia su cui si basa questo protocollo risale ormai a 20 anni fa e originariamente era stata sviluppata per integrare a basso costo dispositivi di illuminazione e di controllo. L' X-10 nasce quindi come un sistema solamente unidirezionale, e anche se recentemente è stata aggiunta la possibilità di stabilire in caso di necessità una comunicazione bidirezionale la maggior parte delle segnalazioni avviene in un solo senso. Come protocollo l'x-10 permette a dispositivi compatibili di comunicare tra loro sfruttando l'impianto elettrico in bassa tensione della casa: in pratica senza nessun filo aggiuntivo si può controllare da qualunque parte dell'abitazione l'illuminazione o un qualunque altro dispositivo elettrico. Un controllore/trasmettitore è inserito in una normale presa elettrica o installato al posto di un interruttore di corrente, mentre tra il dispositivo che vogliamo controllare e la presa elettrica a cui è connesso viene inserito un modulo X-10. Il controllore/trasmettitore comunica poi con i vari moduli sfruttando le linee elettriche come mezzo di trasmissione. L'X-10 per trasmettere dati binari sfrutta una Modulazione d'ampiezza (AM). Per differenziare i simboli la portante usa il punto di attraversamento dello zero da parte dell'onda sinusoidale di tensione a 60 Hz nel passaggio dal semiciclo positivo a quello negativo o viceversa. I ricevitori sincronizzati accettano la portante ad ogni punto di attraversamento dello zero (viene scelto questo punto perché sulle linee elettriche è quello che presenta meno rumore e interferenza da parte di altri dispositivi). Per ridurre gli errori l' X-10 richiede due attraversamenti dello zero per trasmettere i simboli binari: quindi ogni bit necessita di un ciclo completo a 60 Hz. La velocità di trasmissione è quindi limitata a 60 bit al secondo. Generalmente un comando completo è formato da due pacchetti con un gap di tre cicli tra l'uno e l'altro. Ogni pacchetto contiene due identici messaggi di 11 bit (cioè di 11 cicli) ciascuno: quindi un comando completo necessita di 47 cicli, che si traduce in un tempo di trasmissione di circa 0,8 sec. Il costo di un nodo X-10 varia dagli 8 $ di un semplice ricevitore ai 50 $ di un'unità di comando completa. Si tratta quindi di una tecnologia piuttosto a buon mercato, ma il suo funzionamento piuttosto rudimentale e soprattutto le ridotte caratteristiche in termini di velocità e di "intelligenza", limitano le sue applicazioni a semplici sistemi di allarme o di controllo remoto di apparecchiature elettriche Intellon CEBus Intellon è una compagnia privata (che tra l'altro gioca un ruolo chiave nella già citata Home Plug Powerline Alliance) che principalmente produce prodotti basati sullo standard CEBus originariamente sviluppato da Electronics Industry Association e in seguito direttamente dal CEBus Industry Council. Questo è uno standard aperto che prevede differenti specifiche di strato fisico per la realizzazione di sistemi di comunicazione su linee elettriche o su altri media. I prodotti di Intellon, principalmente concepiti per realizzare una possibilità di controllo della rete domestica, sono costituiti da due elementi fondamentali: un transceiver (che implementa la tecnica Spread Spectrum) e un microcontrollore (che esegue il protocollo. Il transceiver trasmette i pacchetti dati a circa 10 kbps usando, come già anticipato, tecniche di modulazione a spettro espanso: ogni uno di questi contiene l'indirizzo del mittente e del destinatario. Il protocollo CEBus usa un modello di comunicazione di tipo peer-to-peer così che ogni nodo della rete ha accesso al canale ogni volta. Per evitare collisioni viene usato, come per Ethernet, il protocollo CSMA/CDRC (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection and Resolution). In pratica il protocollo MAC (acronimo di 1 0

11 Media Access Control, cioè di quell'insieme di regole che stabilisce come e quando il mezzo fisico può essere accessibile ad ogni nodo) richiede ad ogni nodo della rete di aspettare a inviare i propri pacchetti fino a che la linea non è clear cioè finché nessun altro pacchetto è stato trasmesso. Negli strati superiori, il CEBus prevede un CAL (Common Application Language) che consente ai dispositivi di scambiarsi comandi e richieste di stato, usando un vocabolario e una sintassi di comando comune. Il CAL considera ogni dispositivo elettrico come formato da un insieme di parti, dette "contesti", con caratteristiche comuni a tutti i dispositivi. Per esempio il controllo audio di un televisore, di uno stereo, di un CD player o di un VCR è un contesto del CAL. Ogni contesto è poi suddiviso in tanti "oggetti", ogni uno dei quali rappresenta una determinata funzione di controllo del contesto: tornando all'esempio del controllo audio, oggetti sono: il volume, i bassi, gli alti, il tasto mute, etc. Ogni oggetto è infine definito come un set di "istanze variabili" che specificano le operazioni delle funzioni degli oggetti, come il livello corrente o quello di default dell'oggetto "volume". Utilizzando le specifiche del CAL, Intellon garantisce che i suoi prodotti possono comunicare con qualunque altro dispositivo CAL compatibile. Intellon offre una vasta gamma di prodotti, che vanno dal semplice chip fino alla piattaforma completa, a seconda del livello di integrazione che si vuole raggiungere. Nonostante il sistema di Intellon risulti più evoluto e funzionale dell' X-10 i suoi costi più elevati non ne hanno consentito lo stesso grado di diffusione sul mercato. Il CEBus è conosciuto anche come EIA/ANSI-600 dalla sigla di standardizzazione. 1 1

12 2.2.3 Echelon LONWorks Echelon, come Intellon, ha realizzato un protocollo di comunicazione di tipo peer-to-peer che implementa la tecnica CSMA, ed offre quindi una vasta gamma di prodotti per realizzare un completo sistema di controllo della rete caratterizzato da un esclusivo e sofisticato MAC. Gli elementi caratterizzanti il sistema LONWORKS sono sostanzialmente tre: il chip NEURON, il protocollo LONTALK e il LONWORKS Network Service. Il NEURON è un chip disponibile in due versioni, entrambe caratterizzate da tre processori a 8 bit con più di 10 kbyte di RAM ed altrettanti di ROM, che su power line è capace, grazie a modulazioni di tipo Spread Spectrum, di 10 kbps. Il cuore del sistema è comunque il protocollo LONTALK: uno standard internazionale aperto espressamente concepito per le esigenze di controllo. Questo, insieme ad altre caratteristiche, è implementato direttamente sul chip NEURON così da realizzare su un singolo chip un sistema di controllo completo capace di supportare diversi mezzi di comunicazione (compresi fibre ottiche, linee elettriche, doppino telefonico, cavo coassiale ed infrarossi). Recentemente Echelon ha consentito al suo sistema di interfacciarsi con gli altri tipi di transceiver presenti su power line, e il massimo bit rate raggiungibile è stato portato a 1.25 Mbps. Il sistema si completa con il LONWORKS Network Services (LNS), un potente sistema operativo per la connessione e lo sviluppo della rete dei dispositivi di controllo. In pratica permette l'installazione, la configurazione, il monitoraggio, la manutenzione e il controllo della rete di controllo LONWORKS. LNS è compatibile con tutti i sistemi (PC, MAC, UNIX, ecc.) e il suo server supporta, a livello di strato di trasporto, sia il protocollo LONTALK che il TCP/IP. Si tratta quindi di un sistema completo e piuttosto sofisticato, che, proprio per questo, risulta però essere spesso troppo costoso per semplici applicazioni domestiche, e limitato quindi ad applicazioni industriali o commerciali. Il 30% delle entrate di Echelon proviene infatti da controlli di tipo industriale, mentre un altro 30% proviene dall'automazione di edifici commerciali. LONWorks è conosciuto anche come ANSI/EIA A-1999 dal processo di standardizzazione ANSI/EIA passato recentemente. 1 2

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14 Ulteriori applicazioni del sistema LONWorks di Echelon sono rappresentate anche nel CAP.6, tra esse segnaliamo in particolare, visto che ci riguardano da molto vicino, l'accordo con il gruppo Merloni per la realizzazione di un sistema di elettrodomestici "intelligenti" con il marchio AristonDigital, e il sistema Domus Tech del gruppo Olivetti-Tecnost basato proprio sullo standard LONWorks Intelogis PLUG-IN Questo è un protocollo di controllo di rete, inizialmente realizzato dalla Intelogis, strettamente collegato al modello OSI (Open System Interconnection): dei sette livelli che caratterizzano infatti il modello OSI tutti meno due (lo strato di presentazione e quello di sessione) sono definiti nello stack del protocollo PLUG-IN. Ecco le associazioni tra i cinque strati dell'osi e quelli del protocollo PLUG-IN: - Applicazione (Application layer)--plug-in Intelogis Common Application Layer (ical) Protocol; - Strato di Rete (Network layer)--plug-in Power Line Exchange (PLX) Protocol; - Trasporto (Transport layer)--plug-in PLX Protocol; - Strato di Collegamento (Data Link layer)--plug-in PLX Protocol; - Strato Fisico (Physical layer)--plug-in Digital Power Line (DPL). Come protocollo di strato di applicazione PLUG-IN usa lo stesso generico CAL del CEBus ma anziché usare un modello di tipo peer-to-peer adotta una topologia di tipo client/server. Questo consente di allocare la maggior parte dell' "intelligenza" di ogni singolo nodo di applicazione PLUG-IN in un'unità centralizzata detta Application Server. Si realizza cioè una struttura simile a quella di un computer con un'unità centrale particolarmente potente e veloce che controlla e gestisce tutte le varie periferiche (che in questo caso potrebbero essere ad esempio gli interruttori della luce). Queste risultano essere così piuttosto semplici ed economiche non dovendo comunicare direttamente tra loro ma solo eseguire gli ordini dell'"intelligenza" centrale. Negli strati più bassi il protocollo PLX definisce le regole per le operazioni degli strati di collegamento, rete e trasporto, anche se la sua funzione principale è quella di definire la porzione di MAC appartenente allo strato di collegamento. In particolare usa un protocollo di accesso al mezzo composto da due meccanismi di accesso separati: DSMA (Datagram Sensing Multiple Access) e CTP (Centralized Token Passing). Il primo serve per stabilire l'ingresso nel sistema dei nodi finora inattivi (il concetto è lo stesso utilizzato da Ethernet), il secondo per la gestione del sistema a regime, cioè con un certo numero di nodi attivi. Nello strato fisico il protocollo DPL, per inviare segnali digitali sulla linea elettrica, usa una modulazione di tipo FSK (Frequency Shift Keying) con due o più frequenze distinte in una banda piuttosto ristretta. Questa scelta consentirebbe, secondo Intelogis, di contenere i costi rispetto a realizzazioni basate su tecniche di modulazione a spettro espanso (più complicate e quindi più costose da realizzare), e soprattutto sembrerebbe "sposarsi" meglio con la normativa europea (come abbiamo visto il CENELEC prevede bande più ristrette rispetto al Nord America). La soluzione PLUG-IN DPL a singolo canale consente velocità dell'ordine di 350 kbps, mentre quella 1 4

15 a canali e portanti multiple dovrebbe garantire almeno fino ad un picco di 1Mbps, il tutto con una BER di 10-9 e 80 db di dinamica. 2.3 Considerazioni Questi che abbiamo visto sono gli standard di sistemi su linee elettriche più affermati. Meritano inoltre di essere menzionati, perché piuttosto interessanti, il sistema della Adaptive Networks composto da ben tre versioni, tutte basate su modulazioni di tipo Spread Spectrum e caratterizzate rispettivamente da un bit rate di 4,8 kbps (per lo standard CENELEC), 19.2 kbps e 100 kbps (queste ultime per lo standard Nord Americano); lo Smart House sviluppato da Smart House Limited Partnership for National Association of Home Builders e accreditato di un bit rate di picco di 50 kbps; e l'ultima evoluzione (datata 2001) del sistema PLUG-IN. Intelogis, che adesso si chiama Inari, ha infatti in listino l'ipl0201 (discendente diretto del PassPort PLUG-IN Network), che viene presentato come un prodotto da 2 Mbps (il data throughput medio in realtà non va però oltre i 700 kbps). Come avrete avuto modo di capire i sistemi finora realizzati risultano in ogni caso concepiti (e confinati dai loro bit rate) per applicazioni di controllo e gestione centralizzata o remota di apparecchiature elettriche, cioè per il mercato dell'home automation. Questo pur essendo un mercato estremamente interessante e di sicura espansione non consente però di sfruttare appieno quello che è il grosso vantaggio legato all'utilizzo di linee elettriche come mezzo di trasmissione: 1 5

16 essere cioè già diffuse in maniera capillare (come nessun altro mezzo disponibile) sia dentro che fuori le abitazioni. Riprendendo quindi quanto già detto nel primo paragrafo, è proprio dal cercare di far diventare le linee elettriche un possibile mezzo alternativo sia per la realizzazione di LAN in edifici pubblici o privati che per la gestione dell'ultimo miglio, che nasce l'esigenza di andare oltre gli attuali vincoli progettuali e legislativi, di andare a lavorare cioè con frequenze e bande più elevate. Tanto per avere un'idea: per quanto riguarda la realizzazione di una LAN il mezzo di riferimento continua ad essere Ethernet, che nonostante il prezzo piuttosto elevato (soprattutto se vogliamo realizzare LAN in abitazioni private) è comunque capace di un bit rate minimo sempre intorno ai 10 Mbps (la versione "Fast" raggiunge addirittura i 100 Mbps). La tabella seguente mostra i requisiti in termini di larghezza di banda, e quindi di bit rate, necessari alle applicazioni più comuni. Diventa quindi di importanza fondamentale cercare di scoprire e capire come si comportano le linee elettriche quando andiamo a lavorare ad alte frequenze, a frequenze ben superiori cioè di quelle stabilite dalle vigenti normative. 1 6

17 Capitolo 3 Comportamento delle Linee Elettriche alle Alte Frequenze 3.1 Introduzione Come abbiamo visto fino ad ora, il campo frequenziale d'uso delle linee elettriche in bassa tensione è piuttosto ristretto e localizzato su frequenze relativamente basse. Nonostante questo le loro caratteristiche sono tutt'altro che "invitanti": bisogna infatti tener sempre presente che abbiamo a che fare con un mezzo originariamente concepito per altri scopi e quindi caratterizzato da una topologia estremamente varia ed incerta, da un notevole livello di attenuazione e di rumore che, per giunta (e questa è la cosa peggiore), variano con la connessione/disconnessione alla rete dei vari carichi, cioè dei vari dispositivi elettrici. Al riguardo le seguenti figure risultano piuttosto esplicative: (per maggiori dettagli consultare comunque. 1 7

18 1 8

19 L'effetto, in termini di dipendenza dell'attenuazione dalla frequenza, è praticamente questo: Nonostante tutto, grazie soprattutto all'utilizzo di modulazioni a spettro espanso o di tipo FSK, si è riusciti a produrre dispositivi con un buon livello di efficienza, pur se caratterizzati da bit rate piuttosto bassi. E' proprio per aumentare il valore di questi che siamo costretti a spingerci ad utilizzare frequenze e bande di lavoro più alte (come visto nel CAP. 2) e quindi ad utilizzare le linee elettriche in una zona ancora poco conosciuta in termini di comportamento: questo è infatti tutt'ora oggetto di profondi studi, e la letteratura ha disposizione è quindi ancora piuttosto scarsa. Proviamo comunque a caratterizzare in termini di attenuazione e rumore il comportamento ad alte frequenze delle linee elettriche in bassa tensione, distinguendo innanzitutto tra la parte di rete all'interno degli edifici e quella all'esterno. 1 9

20 3.2 Comportamento alle alte frequenze della rete elettrica "esterna" in bassa tensione Da un punto di vista topologico questa parte di rete (che va dall'ultima sottostazione alle singole abitazioni), detta anche "local loop access network", è strutturata ad albero o stella (figura 3.6). Si intravede comunque una struttura simile a quella della telefonia mobile con delle stazioni base (costituite dalle sottostazioni che ospitano il trasformatore) e una serie di celle. Da un confronto con la rete telefonica fissa emerge che, mentre quest'ultima è caratterizzata tutta da collegamenti punto-punto tra sottostazione e utenti, da un punto di vista di rete di telecomunicazioni l'insieme dei conduttori elettrici di distribuzione e dei rami che portano alle abitazioni costituiscono invece la struttura logica di un bus (figura 3.7) Propagazione del segnale Cerchiamo ora di realizzare un modello di canale e di confrontarlo poi con l'effettivo comportamento della rete che si evince da misure reali. Consideriamo il canale lineare tempo invariante, quindi completamente descritto dalla sua funzione di trasferimento H(f) o dalla risposta impulsiva h(t), come schematicamente mostra la figura 3.8. Questo può sembrare una forzatura, visto che le linee elettriche hanno, per loro natura, caratteristiche tempovarianti, ma gli studi fatti hanno rilevato che i cambiamenti della funzione di trasferimento della rete elettrica esterna sono minimi, e che quindi questo tipo di approccio è corretto. Il rumore può cambiare nel tempo le sue proprietà statistiche ma le sue caratteristiche fondamentali rimangono le stesse: varierà solo il valore dei parametri. 2 0

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