Caratteristiche, classificazione e funzionamento delle Power line communications

Caratteristiche principali e classificazione

Per Power Line Communications (PLC) si intende una tecnologia che utilizza la rete elettrica esistente per la trasmissione di segnali tra i dispositivi collegati alla rete. Le comunicazioni su power line, anche se ancora in evoluzione, sono una soluzione che ha avuto origine ideologica nel primo ‘900, e nel corso del tempo sono state usate dalle grandi aziende di distribuzione dell’energia per effettuare misurazioni da remoto e controllare i carichi da gestire, usando inizialmente una singola portante a banda stretta (Narrow Band) che permetteva data rates (numero di bit trasmessi al secondo) molto bassi, dell’ordine di pochi kb/s; l’evoluzione ha portato allo sviluppo di sistemi broadband PLC, che operano ad alte frequenze, e raggiungono data rate dell’ordine dei 200 Mbps o più nei dispositivi più recenti.

Negli ultimi anni è in atto un forte sviluppo delle high-data-rate power line, operanti in frequenze comprese tra i 3 e i 500 kHz. Tra le recenti applicazioni delle PLC ci sono la fornitura di accesso Internet alle utenze residenziali e connessioni LAN (acronimo di Local Area Network) all’interno di case o uffici. La tecnologia power line non ha ancora propriamente raggiunto una vera diffusione nel mercato di massa, ma il profilarsi all’orizzonte delle smart grid ha dato un nuovo impeto all’impiego delle power line, che per certi versi sono particolarmente adatte come supporto per varie applicazioni all’interno delle suddette reti elettriche di nuova generazione. Un esempio di applicazione di tale tecnologia riguarda gli smart meters, i misuratori di corrente di nuova generazione, che sono connessi a centri intermedi di gestione dei dati tramite power line; da questi poi vengono inviate le informazioni ai data center mediante tecnologia cellulare, come il GPRS (General Packet Radio Service). Un esempio nazionale di struttura cosí configurata è la smart grid messa appunto da Enel, che usa le PLC, e il protocollo GSM per il trasferimento ai data center (a tal proposito è necessario precisare che tale rete italiana non implementa tutte le funzioni di una vera smart grid, ma soltanto quelle di smart metering). Tra i vantaggi delle power line nell’ambito delle smart grid, è fondamentale il fatto che l’infrastruttura su cui esse si basano è già esistente, quindi dal punto di vista economico ciò si traduce in un sostanziale risparmio; grazie a tale capillarità, inoltre, la rete risulta estremamente adatta per le applicazioni di misurazione e controllo. I lati negativi, d’altro canto, possono essere attribuibili alla rumorosità intrinseca del canale di trasmissione, che sarà trattato nel prossimo paragrafo, e alla larghezza di banda relativamente bassa, che ne restringe il campo d’applicazione. Allo stato attuale, ci sono numerose soluzioni tecnologiche sviluppate e molte di più ancora in via di sviluppo nell’ambito delle smart grid: affinchè una tale struttura possa diventare realtà, tuttavia, è necessario definire standard di interoperabilità per i vari elementi del sistema. Ci sono molti enti internazionali impegnati in questo senso, uno tra tutti l’ISO (International organization for standardization).

Si elencano qui di seguito i principali standard per comunicazioni power line oggi esistenti:

HomePlug: tecnologia che sfrutta la rete elettrica delle abitazioni per connettere gli strumenti della smart grid alla Home Area Network (HAN)
HomePlug Green PHY: prevede networking su power line a basso costo, sviluppato per applicazioni su HAN dallo Smart Energy Technical Working Group, facente parte della HomePlug Powerline Alliance; si integra con dispositivi HomePlug e supporta networking IP
PRIME: standard power line aperto e globale, supportato tra gli altri da STMicroelectronics
G3-PLC: set di specifiche creato da ERDF e MAXIM che mira all’interoperabilità, alla sicurezza della rete, alla robustezza e alla riduzione dei costi

Le reti elettriche tradizionali sono basate sulla ormai datata infrastruttura centralizzata, a cui si fa riferimento quando si parla di Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA): il concetto di smart grid ha fatto emergere da un lato l’inadeguatezza del sistema SCADA, dall’altro la difficoltà di progettare uno specifico modello a strati per la nuova infrastruttura; dal punto di vista delle telecomunicazioni, infatti, è necessario definire quantomeno tre livelli: physical, data link e network. Un punto di partenza potrebbe essere quello di caratterizzare la sorgente di informazione della smart grid, cioè la rete elettrica; qui emerge un aspetto interessante relativo alle PLC: la rete non è solo la sorgente del sistema ma, nell’ambito delle power line, essa diventa anche il mezzo di trasmissione, cioè appartiene al physical layer. L’importanza e le funzionalità precise delle PLC all’interno delle smart grid non sono ancora universalmente definite: un dato di fatto è che il costo infrastrutturale delle PLC è l’unico paragonabile a quello delle soluzioni wireless, in quanto le linee di distribuzione sono già esistenti; l’utilizzo in supporto a tecnologie come l’AMI è indicazione del fatto che le PLC sono già un valido strumento a disposizione delle nuove reti elettriche. Esistono tuttavia due aspetti che potrebbero rallentare l’espansione delle power line: il primo riguarda soprattutto gli Stati Uniti, e consiste nella scelta discutibile dei produttori di sistemi power line, i quali hanno proposto l’applicazione alle smart grid di sistemi PLC originariamente progettati per usi residenziali (nello specifico si parla di modem broadband-plc), limitando così le potenzialità dei dispositivi nel settore a cui devono essere applicati. Un secondo aspetto è relativo alla standardizzazione dei sistemi PLC, precedentemente accennata ma ancora in fase di sviluppo. Definiamo qui di seguito le tre principali classi di tecnologie power line, classificate in base alla banda di frequenze operative:

UNB (Ultra Narrow Band): operano a data rate molto bassi, dell’ordine dei 100 bps in frequenze di tipo ultra low, da 0.3 a 3 kHz, o nella parte superiore della banda super low frequency, da 30 a 300 Hz; esse sono adatte per l’utilizzo in aree di grandi dimensioni, potendo coprire distanze pari anche a 150 km o più. Sebbene il data rate sia così basso, i sistemi risultano molto scalabili grazie a tecniche di parallelizzazione; le soluzioni UNB sono impiegate in centinaia di applicazioni
NB (Narrow Band): operano nelle bande VLF/LF/MF (da 3 a 500 kHz) e si dividono a loro volta in due categorie: Low Data Rate (LDR), a portante singola, con data rate di pochi kbps, e High Data Rate (HDR), multi portante e con rate fino a 500 kbps
BB (Broad Band): operano in bande HF/VHF (da 1.8 a 250 MHz) e hanno rate che raggiungono le centinaia di Mbps

Il canale power line e il suo modello

Le power line non sono state specificatamente progettate per la trasmissione di dati, e l’utilizzo in tale ambito evidenzia l’ostilità intrinseca di tale mezzo di trasmissione. Gli aspetti salienti sono: impedenze variabili, marcato rumore e alti livelli di attenuazione dipendente dalla frequenza; inoltre, la funzione di trasferimento del canale è tempo variante, poiché, ad esempio, accendendo o spegnendo dispositivi connessi alla rete, la topologia ne risulta modificata. Un altro elemento importante, che influisce sul rapporto segnale rumore (SNR, acronimo di Signal to Noise Ratio), è la posizione del trasmettitore o del ricevitore rispetto alle sorgenti di rumore, come dispositivi di utilizzo domestico collegati alla rete: tanto più vicini sono tali strumenti al ricevitore, tanto più basso sarà l’SNR. In analogia con le reti wireless, la propagazione del segnale tra un trasmettitore e un ricevitore non avviene lungo un percorso unico e determinato: si verifica perciò la presenza di echi di trasmissione, a causa dei molteplici percorsi di propagazione; inoltre, a causa dell’impedenza variabile della rete, si verificano fenomeni di riflessione del segnale. Nel canale power line, infine, l’attenuazione aumenta all’aumentare della frequenza. Esso, quindi, può essere descritto come tempo variante, con SNR dipendente dalla frequenza sulla banda di trasmissione. Il rumore nel canale power line è un problema di elevata entità nelle trasmissioni dati poiché esso, in realtà, ha poca somiglianza al rumore gaussiano bianco solitamente utilizzato per i modelli di canale; tale rumore si classifica in quattro categorie:

Rumore colorato: questa tipologia ha una bassa densità spettrale di potenza (PSD), che descresce all’aumentare della frequenza; è considerato la somma di tutte le sorgenti di rumore a bassa potenza, e può essere tempo variante
Rumore di fondo a banda stretta: esso è dovuto principalmente a segnali sinusoidali modulati in ampiezza; questo tipo di disturbo è creato dalle stazioni che trasmettono in modalità broadcast, nelle medie e basse frequenze. I livelli di interferenza variano nel tempo
Rumore impulsivo sincrono con la frequenza del generatore: esso solitamente si ripete a multipli di tale frequenza, ha una durata di pochi microsecondi e la sua PSD decresce all’aumentare della frequenza; tale rumore è causato dagli alimentatori che operano in maniera sincrona con la frequenza principale di trasmissione
Rumore impulsivo asincrono con la frequenza principale: questo è il tipo di rumore più dannoso per la trasmissione di dati; la sua durata varia da pochi microsecondi a millisecondi. La sua PSD può essere anche 50 dB oltre il livello del rumore di fondo, potendo cosi’ cancellare blocchi di dati durante le trasmissioni in alcune frequenze. E’ causato da accensioni/spegnimenti transitori all’interno della rete