Le tecnologie wireless per la casa intelligente
Dr. Daniele Tarchi Università di Bologna
La Banda Larga
• La locuzione banda larga (in lingua inglese broadband), nel campo delle telecomunicazioni e informatica, indica generalmente la trasmissione e
ricezione di dati informativi, inviati e ricevuti simultaneamente in
maggiore quantità, sullo stesso cavo o mezzo radio grazie all'uso di mezzi
trasmissivi e tecniche di trasmissione che supportino e sfruttino un'ampiezza di banda superiore ai precedenti sistemi di telecomunicazioni detti invece a
banda stretta
• La pervasività di dispositivi mobili
multimediali impone la presenza della banda larga in maniera ubiqua
• L’aumento degli accessi (più persone con più dispositivi) e l’aumento
dell’informazione (dati, audio, video, foto), richiede la presenza della banda larga in ambito domestico
• Negli ultimi anni si è assistito ad una crescente necessità ad avere un accesso pervasivo alla rete
• Si rende quindi sempre più necessario prevedere una infrastruttura tecnologica per il trasporto delle informazioni digitali anche in ambito domestico
La casa intelligente
La rete di accesso e la rete di distribuzione
• Le reti di telecomunicazioni possono essere schematicamente divise in due tipologie
• Rete di accesso
– Sono le tecnologie che permettono di accedere ad internet direttamente
– Sono tipicamente reti con ampie aree di copertura (Wide Area Networks)
• Rete di distribuzione
– Sono le tecnologie che permettono di distribuire l’informazione tramite un punto di accesso
– Sono tipicamente reti a copertura locale (Local Area Networks)
Internet
Access Network Distribution Network
Rete di accesso
• Permettono di collegare un utente singolo o un punto di accesso alla rete internet
• Possono essere sia cablate (es, xDSL,
fibra) che wireless (es., 3G/LTE, Satellite, WiMAX)
• Fra le altre ci concentreremo su
– xDSL
– Fibra, FTTH, HFC – 3G/LTE
– WiMAX – Satellite
Internet
Access Network
xDSL - Digital subscriber line
• La tecnologia a banda larga per eccellenza
• Sfrutta il doppino telefonico
• Il punto di accesso è caratterizzato dalla presenza di un
modem capace anche di redistribuire il segnale tramite una o più reti di distribuzione
• Esistono più tecnologie fra cui ADSL e VDSL sono le più note
• La qualità del segnale dipende sia dalla qualità del doppino che dalla distanza dalla centrale telefonica
• Le tecnologie più moderne permettono di avere data rate fino a circa 24 Mb/s sufficienti per la visione di un film in qualità HD
• La banda è sufficiente per la condivisione in ambito familiare, più difficilmente plurifamiliare
Fibra e FTTx
• La Fibra ottica è la banda larga per eccellenza, garantendo il trasporto di grandi quantità di dati
• Dovendo sfruttare la stesura di una infrastruttura dedicata è di limitata estensione anche se in espansione
• In funzione di dove termina la fibra esistono diversi tipi di installazione FTTx (Fiber to the X)
• Possono essere usate per l’accesso privato o per condividere l’accesso in un edificio o in un vicinato
3G/LTE
• E’ la rete telefonica degli operatori nazionali
• E’ possibile accedere tramite contratto (SIM) sia in modalità singola (es, cellulari, tablet, chiavette) che condivisa
• Con la tecnologia 3G la banda è limitata, sufficiente alla condivisione al massimo di 2 o 3 dispositivi
• Con la tecnologia LTE è possibile garantire larghezze di banda tipiche dell’ADSL
• La copertura, specialmente all’interno delle abitazioni può essere limitata.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
• E’ una tecnologia wireless
senza fili per certi versi simile a 3G/LTE
• Non supporta il traffico voce, ma solo dati
• E’ solitamente installata
tramite un antenna di piccole dimensioni posta sull’edificio utente
• La copertura è limitata alle zone non coperte da xDSL (digital divide)
Satellite
• L’accesso satellitare è solitamente utilizzato nelle aree non coperte da altre tecnologie
• Esistono diverse soluzioni tecnologiche sia in funzione del tipo di satellite che di standard di comunicazione
• Generalmente si può dire che per avere bande più larghe si devono accettare ritardi maggiori (a causa della distanza terra/satellite)
• Esistono sia soluzioni bidirezionali che monodirezionali
– Nelle monodirezionali si utilizza la larga banda solo in downlink, mentre per l’uplink si utilizzano tecnologie standard (es, modem, o GPRS)
• La banda è comparabile con le tecnologie xDSL
Reti di Accesso
Tecnologia Data Rate Copertura Costo Affidabilità
xDSL 20 Mb/s Alta Ridotto Alta
FTTx ~Gb/s Bassa Medio Alta
3G/LTE 15/70 Mb/s Media/Alta Medio/Alto (Bundle mensile)
Medio/alta
WiMAX 10 Mb/s Gap filling Medio/Alto (Bundle mensile)
Alta
Satellite 20Mb/s Alta Medio/Alto (Bundle mensile)
Alta*
Un Video HD necessità di circa 12-14 Mb/s
Rete di distribuzione
• Permettono di distribuire l’informazione all’interno di un ambito privato
• Devono essere interconnesse ad una rete di accesso per accedere ad internet
• Non servono solo a condividere un unico punto di accesso verso internet ma anche a interconnettere dispositivi all’interno della stessa comunità
• Per questo motivo necessitano di bande più larghe delle reti di accesso.
• Fra le altre ci concentreremo su
– Ethernet – WiFi
– Powerline – MOCA – HomeGrid – Wireless USB
Distribution Network
Il cablaggio strutturato
• L’aumento di domanda tecnologica nelle abitazioni spinge sempre più verso una
progettazione strutturata dell’infrastruttura di comunicazione come avviene da anni nel comparto business.
• Il cablaggio strutturato è la risposta a tali esigenze
• Un impianto di cablaggio strutturato deve essere realizzato in base alle necessità di
connettività di un utilizzatore che richiede una copertura degli ambienti sempre maggiore.
• Condivisione delle risorse
– Il cablaggio strutturato è in grado di mettere in comunicazione tra loro risorse differenti
(stampanti, fax, internet...) per renderli disponibili agli utenti.
• Investimento che si ripaga
– L’ investimento iniziale si ripaga nel tempo per effetto dei minori costi di gestione sostenuti negli anni della sua vita utile.
• Affidabilità
– Questo tipo di cablaggio, opportunamente progettato ed installato in tutti i suoi
componenti, deve garantire prestazioni ottimali e facili interventi per la risoluzione dei guasti.
Ethernet
• E’ la classica tecnologia via cavo per ambienti domestici
• Necessita di una pianificazione ben precisa sia di dove posizionare il punto di accesso che i dispositivi (PC, stampanti, Smart TV)
• La banda è molto ampia consentendo sia la distribuzione che la condivisione
• Con i cavi in rame è possibile la copertura di un edificio (circa 100 metri)
• Con i cavi in fibra (più costosi) è possibile la
raggiungere lunghezze più elevate (dai 500 ai 5000 metri a seconda della tecnologia)
WiFi
• Si parla genericamente di WiFi come della tecnologia senza fili per eccellenza
• In realtà è un insieme di diversi standard operanti a bande diverse e con data rate diversi (IEEE 802.11a/b/g/n)
• I data rate consentono facilmente sia di distribuire che di condividere i flussi multimediali
• Il neo è la copertura il cui valore dipende da molti fattori non
predeterminabili (es, disposizione e tipologie dei muri e altri ostacoli)
– Non è garantita la copertura capillare in caso di appartamenti di dimensioni medio grandi (100mq) o su più piani
• Altro problema è costituito dal possibile affollamento spettrale
– WiFi lavora su bande liberamente usabili da chiunque, anche dai vicini di casa. In contesti urbani densi più persone possono utilizzare le stesse risorse spettrali generando interferenza mutua
• Ha come grande vantaggio la facilità di installazione e utilizzo
• E’ oggi giorno una commodity impossibile da rinunciarvi, ma è necessario sapere che può talvolta essere insufficiente
– Esistono i cosiddetti range extender
Powerline
• E’ una tecnologia trasmissiva che sfrutta i cavi elettrici
• Necessita dell’installazione di appositi
convertitori nelle prese elettriche in prossimità dei dispositivi
• Garantisce larghezze di banda comparabili con Ethernet
• E’ limitato all’ambito domestico
• E’ utilizzato principalmente per connettere
dispositivi NON dotati di interfaccia wireless ma della sola interfaccia ethernet in edifici non
precedentemente cablati
HomeGrid
• HomeGrid è un’alleanza fra operatori e industrie per lo sviluppo di prodotti in ambito domestico che utilizzino
indifferentemente cavi coassiali, doppini
telefonici e cavi elettrici per la distribuzione dei segnali a banda larga
• L’HomeGrid forum si basa sulla famiglia di standard G.nn
• Non esistono a mia conoscenza dispositivi
in commercio in Italia, anche se è possibile
prevederne l’utilizzo in futuro
MOCA (Multimedia over Coax Alliance)
• E’ uno standard internazionale che
prevede di sfruttare il cavo coassiale già presente negli edifici per distribuire le
informazioni
• E’ per certi versi simile al concetto delle powerline
• E’ utilizzato negli USA ma poco utilizzato
in Europa
Reti di Distribuzione
Tecnologia Data Rate Affidabilità Costo Pro Cons
Ethernet Gb/s Alta Alto
(cablatura) Basso
(dispositivi)
Alta
affidabilità, alta diffusione
Cablatura in fase di
progettazione
WiFi 100 Mb/s Media Basso Facilità di
installazione
Affidabilità e copertura HomePlug 500 Mb/s Media/Alta Medio Soluzione
semplice
Gap filling
HomeGrid Gb/s Media/Alta Medio/Alto Riuso cablatura
Scarsa diffusione MOCA Gb/s Media/Alta Medio/Alto Riuso
cablatura
Scarsa diffusione
Un Video HD necessità di circa 12-14 Mb/s
WirelessUSB
• E’ l’estensione wireless delle connessioni USB, attualmente utilizzate per connettere periferiche e memorie ai computer
• Non è una rete di comunicazioni vera e propria ma una tecnologia introdotta per interconnettere periferiche senza fili
• Esempi classici sono la connessione di Hard Disk portatili, di periferiche audio/video (es, lettori blu-ray)
• La copertura è molto limitata, dell’ordine dei metri (cioè all’interno di una stessa stanza)
Non solo banda larga…
• L’esplosione del mondo digitale e della necessità di interconnettere dispositivi, ha portato alla definizione dell’acronimo Internet delle cose (Internet of Things – IoT) che ha come obiettivo l’interconnessione di
dispositivi e non persone
• Tali comunicazioni non necessitano lo scambio di una gran quantità di dati ma la possibilità di
interconnettere più dispositivi
• Sono state introdotte negli ultimi anni
tecnologie specifiche per questo ambito
ZigBee
• ZigBee è una specifica per un insieme di protocolli di
comunicazione ad alto livello che utilizzano piccole antenne digitali a bassa potenza e basato sullo standard IEEE
802.15.4 per wireless personal area networks (WPAN)
• I protocolli ZigBee sono progettati per l'uso in applicazioni embedded che richiedano un basso transfer rate e bassi consumi
• L'obiettivo attuale di ZigBee è di definire una Wireless mesh network non mirata, economica e autogestita che possa
essere utilizzata per scopi quali il controllo industriale, le reti di sensori, domotica, le telecomunicazioni, ecc.
Alcuni riferimenti
• Wi-Fi alliance - http://www.wi-fi.org/
• Homeplug alliance - http://www.homeplug.org/
• MOCA - http://www.mocalliance.org/
• HomeGrid Forum - http://www.homegridforum.org/
• ZigBee Alliance - http://www.zigbee.org/
Daniele Tarchi
Dipartimento di Ingegneria dell’Energia Elettrica e dell’Informazione daniele.tarchi@unibo.it
www.unibo.it
