Smart Grid: vantaggi e svantaggi delle tecnologie impiegate nelle reti di comunicazione

La Smart Grid estende monitoraggi e interventi proattivi fino al livello della rete privata dell’utilizzatore finale (a livello home/office), il tutto per rendere possibile una effettiva integrazione globale finalizzata alla massima efficienza degli interventi di ottimizzazione delle performance elettrica nel suo complesso.
Questo comporta il ricorso a una gran varietà di tecnologie per le reti HAN (Home Area Networking) e molteplici possibilità a livello di Accesso alla rete centrale. L’opportunità di utilizzare l’una o l’altra tecnologia o soluzione è determinata non solo dalle specifiche caratteristiche prestazionali ma può (e deve) essere conseguenza di valutazioni di opportunità: la reale interoperabilità tra i sistemi, il fatto che siano oggetto di progetti di sviluppo internazionali, o ancora la loro eventuale preesistenza (ad esempio i coassiali possono avere caratteristiche interessanti ma sono meno diffusi in rispetto ad altri paesi dove si è avuto un maggiore sviluppo della TV via cavo). Evidentemente taluni sistemi saranno più promettenti come scelta strategica ma all’atto pratico una Smart Grid realmente capillare dovrà saper individuare la migliore soluzione applicata ai casi specifici, e questo è particolarmente evidente specie per le HAN e il livello di accesso, molto più che rispetto alla Rete Generale e le connessioni su larga distanza (laddove tipicamente le Utility tendono a possedere direttamente i sistemi di comunicazione/controllo interni definendone specifiche e caratteristiche). 

Il seguente articolo intende illustrare le principali caratteristiche delle tecnologie e standard di comunicazione più comuni (e/o più promettenti) impiegate nelle reti elettriche di nuova concezione  (Smart Grid). In prosecuzione del precedente articolo “Smart Grid, il nuovo approccio progettuale della telecomunicazione” recentemente pubblicato in questa rivista on – line, il presente  scritto intende rappresentare un primo approfondimento con particolare riferimento ai segmenti “HOME AREA NETWORKING TECHNOLOGIES” e “ACCESS TECHNOLOGIES”, successivamente seguiranno anche analoghi approfondimenti dedicati rispettivamente ai segmenti “LOCAL AREA NETWORKING TECHNOLOGIES” e “WIDE AREA NETWORKING TECHNOLOGIES”. 

– HOME AREA NETWORKING TECHNOLOGIES

A livello residenziale, focalizzandosi sullo spazio di un’abitazione, una rete LAN (Local Area Network) viene comunemente definita HAN (Home Area Network) e corrisponde al sistema di trasmissione dati che consente l’interconnessione di una varietà di dispositivi digitali all’interno dell’abitazione.
Una caratteristica comune di questo tipo di reti è la condivisione di una connessione con l’esterno (ad esempio una connessione ad Internet) tale da consentire di estendere l’interoperabilità e/o controllo/monitoraggio dei dispositivi non solo tra di loro ma anche a distanza, al di fuori dell’ambito residenziale. Ad esempio consentendo lo scambio dati tra dispositivi di case diverse, oppure con un centro remoto di controllo. Tipicamente questo tipo di funzionalità è assicurato dall’impiego di tecnologie di trasmissione come powerline,  standard radio ZigBee e Wi-fi. L’interoperabilità tra i diversi standard agevola evidentemente la realizzazione di una HAN e meglio si presta ad applicazioni di tipo Smart Grid, in questo senso non deve stupire che il National Institute of Standards and Technology (NIST) stia promuovendo iniziative come l’OSHAN (Open Source for Home Area Networks).

Nel seguito vengono illustrati  i principali standard e tecnologie impiegate nelle HAN.

ZigBee
ZigBee identifica un insieme di protocolli per la trasmissione via radio con l’impiego di antenne a bassa potenza. Si tratta di una soluzione low cost operante su frequenze riservate per scopi prevalentemente industriali. È estremamente flessibile e può configurarsi in modalità strutturata (a stella, ad albero) ma anche mesh/magliata (destrutturata, ad hoc). È idonea al trasporto di piccole quantità di dati e richiedendo poche risorse in termini sia di codice che di potenza (ovvero poco spazio di memoria e poco assorbimento di energia) ha inoltre il pregio di realizzare reti sicure.
In aggiunta a tutte queste caratteristiche ZigBee dispone di una piattaforma Open Standard finalizzata ad agevolare l’interoperabilità con una grande varietà di sistemi e prodotti. La ZigBee Alliance ha specificatamente sviluppato un profilo Smart Energy espressamente dedicato alle HAN deputate alla gestione dell’energia.  Si tratta di una piattaforma di trasmissione radio che assicura la comunicazione tra i dispositivi per la casa e le società di servizi, consentendo l’impiego di automazione per il controllo dei consumi di energia e la trasmissione delle informazioni relative quasi in tempo reale.
Un progetto di cooperazione con Home Plug Alliance (powerline) è finalizzato a rendere possibile l’interoperabilità completa nella trasmissione dati (e gestione applicativa per quel che riguarda il campo energia) tra sistemi wireless e su cavo: lo standard supporta tra le altre cose il monitoraggio, il pricing e la registrazione dei dispositivi. ZigBee Smart Energy 2.0 è stata selezionata dal NIST (Institute of Standards and Technology) come standard per l’interoperabilità tra i dispositivi delle HAN (Home Area Networks) in quanto supporta la ricezione di informazioni, il monitoraggio, l’automazione dell’erogazione e del consumo. Tra le specifiche: frequenza 2.4GHz – IEEE 802.15.4; 915Mhz (America), 868Mhz (Europa); sicurezza standard AES-128.
ZigBee è limitata al corto raggio e non è ancora molto diffusa ma può contare su numerosi prodotti specifici Smart Energy, inoltre è da segnalare la possibilità di utilizzo della frequenza non licenziata 2,4Ghz e il basso costo dei chipset.

Wi-Fi
Si tratta della tecnologia probabilmente destinata al maggiore utilizzo nell’industria, Smart Grid incluse. Normalmente è identificata come lo standard IEEE 802.11 (operante a 2,4 Ghz, banda fino a 2 Mbps), ne esistono alcune varianti identificate da lettere: 802.11a (operante a 5 Ghz, banda fino a 54 Mbps), IEE 802.11b (operante a 2,4 Ghz, banda fino a 11 Mbps), IEE 802.11g (operante a 2,4 Ghz, banda oltre 20 Mbps).
Lo standard 802.11a utilizza l’Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), mentre l’802.11 utilizza il Frequency-hopping spread spectrum (FHSS) e il Direct-sequence spread spectrum (DSSS), l’802.11b utilizza esclusivamente DSSS.
La Wi-Fi Alliance ha avviato progetti di collaborazione con Zig Bee e accordi con Home Plug Alliance, sviluppando specifici passi per ampliare l’interoperabilità con applicazioni Smart Grid. Come anche appurato da studi ad hoc (è stato pubblicato un white paper specificatamente dedicato) il wi-fi ha maturato caratteristiche di robustezza, prestazioni, flessibilità (e non ultimo economicità) tali da porsi come tecnologia sicuramente capace di giocare un ruolo non secondario nell’ambito delle Smart Grid. Tra i vantaggi la larga diffusione in ambito home e office e la banda ragguardevole, tra i contro l’esposizione a interferenze di altri emettitori analoghi, fenomeni di disturbo da riflessione del segnale e il fatto che le murature possano fare da schermo alle trasmissioni.

HomePlug
Home Plug Alliance è composta da un gruppo di aziende che ha definito gli standard per la trasmissione dati attraverso una rete elettrica domestica. Lo standard Home Plug definisce appunto le caratteristiche di questo trasporto dati attraverso la powerline domestica. Le versioni HomePlug 1.0 e HomePlug AV hanno rispettivamente una portata di banda  fino a 14 Mbps e fino a 200Mbps. L’utilizzo tipico di questo standard trasmissivo è ad esempio la trasmissione di contenuti video (ipTV).  La Home Plug Alliance ha tuttavia sviluppato anche lo standard HomePlug Command & Control (HPCC) espressamente dedicato a funzioni di domotica (spegnimento luci, accensione di condizionatori, etc.)
Le tecnologie Home plug si prestano ad utilizzi nell’ambito delle Smart Grid ad esempio consentendo al consumatore di monitorare i propri consumi elettrici, interagire con elettrodomestici intelligenti, termostati o quant’altro interconnesso nella HAN.

6LowPAN
6LoWPAN (IPv6 Over Low Power Wireless Area Networks) è il nome del gruppo di lavoro nel settore Internet della IETF (Internet Engineering Task Force), identifica una proposta di standard aperto per la realizzazione di reti wireless domestiche. Estremamente flessibile e largamente interoperabile, lo standard 6LoWPAN si presta ad utilizzi in chiave Smart Grid per il particolare focus di una soluzione a basso costo e contemporaneamente in grado di rapportarsi a una moltitudine di dispositivi come sensori o altro.

OpenHAN
OpenHAN (Home Area Network) è una proposta di standard per l’interfaccia con contatori digitali e elettrodomestici intelligenti a livello domestico. Si tratta di un passo fondamentale verso la realizzazione di un sistema integrato di controllo, monitoraggio e ottimizzazione del consumo energetico a livello residenziale. In particolare uno degli scopi è consentire alle Utility di determinare la disconnessione dei carichi nei periodi di punta del consumo energetico onde ottimizzare e razionalizzare il consumo complessivo smorzando i picchi di carico. OpenHAN appare come estremamente promettente, tra le altre cose a differenza di altri sistemi power line OpenHAN può utilizzare quasi tutti i tipi di cavi tipicamente preesistenti a livello domestico senza richiedere nuovi cablaggi e senza limitarsi a soli cablaggi Categoria 5, infatti può applicarsi indifferentemente  a prese di corrente,  cavi coassiali e persino telefonici categoria 3.

OSHAN
OSHAN (Open Source for Home Area Networks) utilizza hardware e software open source assicurando l’interoperabilità di una varietà di dispositivi a livello domestico. Si tratta di una specifica open source per le reti HAN, Si tratta di uno standard Wireless IEE 802.15.4 operante nella frequenza libera 900mhz che consente una media distanza anche dentro gli edifici, sfortunatamente sono ancora relativamente pochi i prodotti che lo supportano.

– ACCESS TECHNOLOGIES
La rete di accesso ha lo scopo di rendere disponibile il collegamento dei dispositivi remoti con la rete principale. Per una rete di telecomunicazioni si indica con il termine di “ultimo miglio” l’ultima propaggine di collegamento con l’utente finale, per il quale appunto rappresenta la via di “accesso” alla rete vera e propria (internet). Nel caso della rete elettrica siamo al livello della distribuzione, il tratto di ultimo miglio in questo caso può essere anche di alcuni chilometri, e identifica il collegamento tra le sottostazioni e gli apparati di distribuzione (richiusori, commutatori di linea, banchi di condensatori, regolatori di tensione) e  nelle Smart Grid anche le HAN, ovvero le reti domestiche che possono ospitare molteplici dispositivi intelligenti (sensori, moduli di automazione, contatori, etc.). Segue una sintetica illustrazione delle principali tecnologie di accesso.

PSTN
PSTN (Public Switched Telephone Network, la rete telefonica generale, è la più grande infrastruttura a commutazione di circuito esistente; estesa a livello mondiale, si articola nell’interconnessione delle varie reti telefoniche nazionali. Inizialmente solo analogica, la rete è oggi anche digitale e rende possibile non solo telefonare ma anche effettuare videoconferenze, inviare dati (fax, sms, mms, etc.), connettersi a internet, etc.. Nella sua forma più attuale si completa di una varietà di sistemi (mobile, satellite, cavi sottomarini, etc.) i quali sono tutti interconnessi tra loro. Per quel che riguarda la presente trattazione tuttavia intenderemo PSTN riferendoci più specificatamente alla sola rete di telefonia fissa (estremamente pervasiva, benché inevitabilmente non onnipresente), cui le Utility fanno ricorso (con tutti limiti di banda derivanti) laddove non siano disponibili altre soluzioni di rete strutturata.

xDSL
DSL (Digital subscriber line) identifica una vasta famiglia di tecnologie di trasmissione dati su doppino telefonico. La sua variante più nota è la ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) comunemente impiegata per rendere disponibile l’accesso ad internet in larga banda. La velocità consentita da questo tipo di tecnologie varia a seconda delle versioni ma anche della lunghezza effettiva del cavo di ultimo miglio e della sua qualità. Le velocità attingibili sono rispettivamente HDSL (High data rate Digital Subscriber Line) 8 Mbps; SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line) 2 Mbps;  SHDLS (Single-Pair High-speed digital subscriber line) 5 Mbps; ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) in varie versioni fino a 24 Mbps; VDSL2 (Very High Data Rate Digital Subscriber Line) fino a 200 Mbps ma con riduzione drastica della performance su lunghezze di cavo superiori alle poche centinaia di metri.  Hdsl e più moderatamente Adsl e Shdsl consentono buone performance come ampiezza di banda anche su distanze in termini di qualche chilometro. In generale questo tipo di tecnologie sono abbastanza diffuse ma diventano rare e poco efficienti nelle aree meno popolate, inoltre trattandosi di reti non di proprietà dalle Utility comportano costi ricorsivi di servizio che complessivamente possono diventare ingenti.

Cable modem
Il Cable altrimenti detto DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specification identifica il sistema di comunicazione mediante coassiale utilizzato comunemente per la TV via cavo. Attraverso il relativo modem è possibile trasmettere dati ad alta velocità (fino a 400 Mbps) in radio frequenza su infrastrutture HFC (Hybrid fibre-coaxial) e RFoG (Radio Frequency over Glass).

FTTH
FTTH (Fiber to the Home) identifica al soluzione di connettività che prevede il collegamento in fibra ottica fino all’abitazione (quindi direttamente fino alla HAN). Velocità virtualmente illimitata, è una soluzione costosa ma garantisce la massima scalabilità e performance, sfortunatamente è ancora ben poco diffusa.

Paging networks
E’ il sistema utilizzato dai cerca persone, consente di inviare brevi messaggi via radio a dei dispositivi di ricezione. E’ comunemente usato da un gran numero di dispositivi compresi comuni elettrodomestici. Tipicamente può trasmettere simultaneamente a un gruppo di dispositivi all’interno della rete. Poco costoso se usato monodirezionalmente, esistono alcuni standard; i limiti sono la brevità dei messaggi, il fatto che la gran parte dei sistemi sono proprietari e infine la trasmisisone bi-direzionale fa lievitare i costi.

Access BPL
Access BPL (Broadband over Power Lines) è una tecnologia che consente di trasmettere dati sulle linee elettriche di media tensione, comunemente utilizzato per le comunicazioni relative al monitoraggio e gestione degli apparati della rete di distribuzione elettrica, il medesimo sistema può interfacciarsi con la rete di telecomunicazioni (ad esempio in una sottostazione di alimentazione o un punto intermedio tra sottostazioni) e effettuare il trasporto dei dati fino al punto di erogazione dell’energia, ovvero può coprire l’ultimo miglio fino all’utilizzatore finale per il quale può fungere da rete di accesso. Tuttavia ci sono dei limiti in termini di distanza e larghezza di banda,  inoltre si possono verificare problemi per la presenza di disturbi e anche interferenze da alcuni prodotti.

Cellular (GSM/CDMA)
GSM (Global System for Mobile Communications) è la tecnologia più diffusa al mondo per i sistemi di telefonia mobile. GSM altrimenti detto 2g corrisponde appunto alla seconda generazione dei sistemi di comunicazione cellulare, tra le sue peculiarità il servizio SMS Short Message Service supportato anche da altri standard di telefonia mobile. Attraverso gli Sms è possibile gestire una vasta rete di automazione tra i dispositivi insistenti sull’area di copertura del servizio mobile, ad esempio il monitoraggio delle sottostazioni non richiede grandi quantità di dati e quindi questa soluzione è ampliamente applicabile. Ulteriori standard come GPRS (General Packet Radio Service) e EDGE (Enhanced Data Rates per GSM Evolution) consentono di trasmettere maggiori quantità di dati. CDMA (Code Division Multiple Access) è una tecnologia cellulare originariamente nota come IS-95, in cui dati e voce sono separati dai segnali utilizzando codici e poi trasmessi utilizzando varie frequenze, il risultato è una maggiore disponibilità di banda. Per la rete di terza generazione (3g) CDMA utilizza 1x EV-DO e EV-DV. Nelle varianti W-CDMA e CDMA2000 è una delle tecnologie cellulari nello standard UMTS caratterizzate da una significativa ampiezza di banda.
Il vantaggio principale del GSM/CDMA è legato alla sua diffusione e preesistenza nel territorio che consente una estrema rapidità di implementazione, gli SMS poi consentono di effettuare monitoraggi a basso costo; i limiti  sono legati alla ridotta quantità di dati trasmissibile (soprattutto per 2g) e alle limitazioni delle aree coperte (soprattutto il 3g).

RF Mesh
RF (Radio Frequency) Mesh  è una tecnologia che consente la trasmissione via radio tra  vari dispositivi i quali fungono tanto da terminale che da nodi della rete stessa contribuendo alla possibilità di trasmettere dati attraverso una struttura flessibile, variamente configurabile e paritetica, una rete magliata che in taluni casi può offrire molti vantaggi in termini sia di efficienza che di risparmio economico rispetto alle più usuali reti strutturate gerarchiche. Le reti mesh si sono imposte come scelta tecnologia premiante a livello delle NAN (Neighborhood Area Network) con particolare riferimento alle Smart Grid, infatti offrono i migliori vantaggi per una rete di sensori e contatori variamente distribuiti, rendendo possibile un monitoraggio puntuale delle utenze la cui accurata profilazione consente ai clienti industriali e commerciali delle Utility di razionalizzare i consumi beneficiando  dei risparmi conseguenti. Il principale vantaggio consiste nella estrema flessibilità e adattabilità, talvolta a scapito della performance finale in termini di banda.

WiMax
WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) è una tecnologia radio operante sulle frequenze 2.3–2.5 GHz e 3.4–3.5 GHz per la trasmissione dati su distanze anche di alcune decine di chilometri e decine di Mbps come ampiezza di banda. Opera su frequenze licenziate e pertanto riservate ai concessionari (no problemi di interferenze con reti altrui), può essere impiegato in configurazione punto_punto e punto_multipunto. Il principale vantaggio del Wimax è di poter realizzare tratte di decine di chilometri con ampie larghezze di banda, inoltre ha la poco comune possibilità di consnetire il collegamento anche a terminali in mobilità. Tuttavia le attuali tecnologie Wi-fi Hiperlan (High Performance Radio LAN) operanti su frequenze 5 Ghz possono eguagliare e superare in prestazioni (distanze e ampiezza di banda) il Wimax, le Hiperlan inoltre operano in banda libera (non hanno costi di concessione) e gli apparati sono significativamente meno costosi sia a livello di nodo che di client. pertanto il wi-fi Hiperlan può costituire una valida alternativa low cost ma ad alte prestazioni (centinaia di Mbps) per la rete di accesso e per la Smart Grid in generale.

– Conclusioni
In questo articolo è stata presentata una panomarica dello stato dell’arte delle tecnologie abilitanti di connettività a livello residenziale per la realizzazione di Smart Grid.
Sono state identificate le tecnologie più diffuse e promettenti sia a livello di interconnessione dei dispositivi all’interno dell’abitazione, che di interconnessione tra l’abitazione e la rete centrale globale.
I processi di standardizzazione in corso e i costi di messa in opera giocheranno un ruolo fondamentale nel determinare la affermazione.
Una delle sfide per i progettisti di soluzioni Smart Grid riguarda non solo essere capaci di supportare le soluzioni che si riveleranno vincenti, ma soprattutto proporre sistemi in grado di integrarsi in modo trasparente rispetto alle diverse tecnologie di connettività.

di Diego Bernini (Università Bicocca), Gianluca Colombo (c2t), Ferruccio Giornelli e Pasquale Motta (DeMEPA), Sergio Levrino (ItAsiaLtd) sintetizzano i loro progetti e studi condotti in collaborazione con Riccardo Avigni, Roberto  Iorio e Fabio Leopaldi