FEBBRAIO 2013
FIELDBUS & NETWORKS
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Fieldbus & Networks
segnale viene rilevato a destinazione, sia sufficiente per una corretta
detezione. Avendo a che fare con sistemi di comunicazione basati su
modulazioni digitali, il loro comportamento è di tipo on/off. Si pensi
ad esempio a cosa accade guardando una trasmissione televisiva,
oggi trasmessa in Italia grazie allo standard digitale DVB-T. È noto
a tutti che fintantoché il segnale è sufficientemente buono la visione
è perfetta mentre se la sua qualità degrada oltre una
certa soglia la visione è sostanzialmente impossibile;
l’effetto neve tipico delle comunicazioni analogiche
del passato è ormai scomparso. Diventa pertanto fon-
damentale studiare accuratamente il posizionamento
dei nodi, affiancando questa fase con un’indagine sul
campo volta a evidenziare gli effettivi ostacoli pre-
senti. Bisogna anche ricordare che un componente
spesso trascurato come la stessa antenna può forte-
mente modificare le prestazioni ottenibili. Al di là della
sua capacità di sopportare le condizioni ambientali
estreme spesso presenti in un sito industriale, la sua
collocazione, direzionalità e quindi guadagno devono
essere presi in considerazione per ottenere un risultato ottimale. Un
alto guadagno facilità l’interconnessione di nodi lontani, mentre un
basso guadagno può essere utilizzato per circoscrivere (ad esempio
per motivi di sicurezza) l’area coperta. Un altro parametro che deve
essere valutato è la sensibilità del ricevitore, che spesso non viene
correttamente considerato. È evidente che una radio più sensibile di
un’altra può ricevere segnali più deboli o, altrimenti detto, consente
una maggiore copertura area a parità di potenza di tra-
smissione oltre a tollerare la presenza di un numero di
ostacoli maggiore. Va detto che la sensibilità di rice-
zione è normalmente espressa dai costruttori in una
scala logaritmica (esponenziale) per mezzo dei decibel
(dB). In particolare, un rapporto 10:1 è pari a 10 dB e un
rapporto 2:1 è pari a 3 dB. Rapporti inferiori a 1:1 sono
espressi invece come numeri negativi. Ad esempio, un
rapporto di 1:2 è pari a -3 dB. Poiché la sensibilità in
ricezione indica quanto debole possa essere il segnale
radio affinché sia ricevuto correttamente, quanto più
piccola essa è, meglio è. Per esempio, una sensibilità
di ricezione di -110 dBm è meglio di una sensibilità di
ricezione di -107 dBm di 3 dB, o un fattore due. In altre parole, a un
tasso di potenza di trasmissione specificato, un ricevitore con una
sensibilità -110 dBm può ricevere segnali che hanno un’intensità di-
mezzata (ad esempio perché provenienti da una sorgente più lontana)
rispetto a un ricevitore che offre una sensibilità di ricezione pari a
-107 dBm. Inoltre, lo stesso sistema di modulazione può in qualche
modo mettere ‘una pezza’ in caso di disturbi, sfruttando una qualche
forma di ridondanza nella trasmissione. A farla da padroni in ambito
industriale e non solo, sono oggi due tecniche, denominate rispetti-
vamente Fhss e Dsss. Invece di trasmettere su un canale fisso e im-
mutabile, le radio che implementano la modulazione Fhss (Frequency
Hopping Spread Spectrum) variano con continuità la frequenza della
portante, saltando rapidamente attraverso più canali durante l’invio
dei dati. Le eventuali interferenze sono pertanto evitate allontanan-
dosi da esse. Uno schema di salto frequenziale casuale, combinato
con tecniche di rilevamento degli errori e a meccanismi di ripetizione
automatica, assicurano pertanto che la consegna dei dati avvenga in
modo affidabile. Questa tecnica inoltre fornisce anche un potenziale
incremento della sicurezza, poiché rende le trasmissioni di difficile
individuazione; a eventuali ascoltatori ‘malintenzionati’, la trasmis-
sione in aria appare come un rumore diffuso su tutto lo spettro, ed è
quindi difficilmente analizzabile. Per quanto riguarda invece la modu-
lazione Dsss (Direct Sequence Spread Spectrum), il tradizione segnale
a banda stretta generato dalla sorgente dell’informa-
zione viene moltiplicato con una sequenza simile a un
rumore (ovvero di natura pseudo-casuale) avente un
elevato contenuto frequenziale; il segnale risultante
viene pertanto a occupare una banda decisamente
più ampia di quella originale. Ciò introduce una forma
di ridondanza nella trasmissione, permettendo a un
ricevitore di recuperare i dati originali, anche se parte
di essi sono stati danneggiati durante la trasmissione.
Laddove poi un singolo nodo può non essere suffi-
ciente a coprire l’area di interesse, può essere di aiuto
la topologia di rete. Sono tutti concordi nel ritenere
in netta crescita l’interesse e la domanda di reti full
mesh, in cui tutti i componenti hardware sono interconnessi fra loro
e possono operare come ricevitori, trasmettitori o ripetitori. In questo
caso, quanto più alta è la densità dei nodi installati tanto maggiore
è l’affidabilità della soluzione implementata. La stessa rete wireless
può assumere il ruolo di infrastruttura di comunicazione veicolando
dati disparati, come ad esempio avviene non solo nel caso del moni-
toraggio e della telemetria degli impianti industriali, ma anche per la
gestione da remoto delle reti di distribuzione dell’e-
nergia (acqua, luce e gas), dei servizi urbani (gestione
intelligente delle reti di illuminazione stradale, della
raccolta dei rifiuti solidi, del trasporto pubblico ecc.) e,
più in generale, per lo sviluppo di qualsiasi progetto di
smartgrid o smart city.
La sicurezza
Un altro tema di interesse è poi quello della sicurezza;
in italiano si usa questo termine per indicare due
requisiti e aspetti molto differenti tra di loro, come
chiarito dai corrispondenti termini inglesi ‘security’
(sicurezza o protezione dei dati e della rete) e ‘safety’
(sicurezza funzionale). Per quanto riguarda il primo aspetto, l’uso di un
mezzo fisico non confinato come l’etere pone dei problemi di intercet-
tazione e ritrasmissione da parte di potenziali ‘disturbatori’; va però
detto che le stesse tecnologie, basate sulla cifratura a chiave simme-
trica e/o asimmetrica, che rendono sicure le comunicazioni cablate,
possono essere e sono usate efficacemente anche in questo caso
rendendo i sistemi quasi inviolabili, se opportunamente configurati
(impostando ad esempio un cambio periodico delle chiavi crittografi-
che). Passando invece al secondo ambito, è possibile assicurare il fun-
zionamento in sicurezza di un impianto anche se ci si affida a sistemi
di comunicazione wireless, a patto di appoggiarsi a opportuni profili
software. Lo scopo di questi profili è di implementare quei controlli
necessari alla verifica della presenza o meno di un dispositivo e alla
determinazione della correttezza e integrità dei messaggi scambiati.
Alla base vi è il concetto di scatola nera (o black-box all’inglese), in
base al quale non è determinante tanto il mezzo di comunicazione
ma è importante poter stabilire in maniera pressoché certa l’integrità
Paolo Laganà
Vittorio Agostinelli
