109
Capitolo 8.
Valutazione del progetto
In questo capitolo verrà analizzato il soddisfacimento dei requisiti inizialmente esposti, verranno valutate le principali criticità incontrate in fase di progettazione e si farà riferimento ai possibili sviluppi nel mondo della diagnostica ferroviaria.8.1 Soddisfacimento dei requisiti
Tutte le scelte effettuate nel progetto, sia in fase d’individuazione dei componenti che in fase di configurazione, sono state condotte con riferimento ai requisiti esposti nel capitolo 1. Sarà comunque necessario valutare nuovamente tali requisiti per comprendere fino a che livello sono stati soddisfatti.
L’affidabilità del sistema è stata garantita con gli accorgimenti discussi nel paragrafo 7.3, infatti la particolare struttura della rete che si è venuta a creare con il posizionamento mirato dei ripetitori fa si che i nodi terminali abbiamo più strade per mettersi in comunicazione con il coordinatore della rete. Il tipo di applicazione è non vitale, perciò non è stata prevista nessuna ridondanza per quanto riguarda gli end device: si accetta cioè che un guasto a uno di questi possa creare una momentanea mancanza di informazioni (relativa solamente alla parte di oggetti da esso supervisionati) fino al momento del ripristino dell’anormalità. Un discorso diverso deve essere fatto per il nodo coordinatore, che rappresenta anch’esso una singolarità della rete; un malfunzionamento a questo dispositivo comprometterebbe le funzionalità dell’intero sistema di diagnostica, sarà perciò necessario prevedere una scorta, già configurata, da mettere in funzione immediatamente al momento di rilevazione del guasto. Questo aspetto sarà affrontato di seguito in fase di analisi delle criticità. Per quanto riguarda la robustezza della rete, intesa come immunità nei confronti dei disturbi, sarà necessario prevedere una serie di prove di laboratorio per determinare alcune risposte dei dispositivi in determinate circostanze. Un piano delle prove tipo e alcune considerazione sulla coesistenza con altri sistemi wireless verranno sviluppate nei prossimi paragrafi.
Per ottenere un sistema in grado di autoconfigurarsi è stata impostata nei nodi repeater la modalità di comunicazione broadcast. Tale modalità consente ai ripetitori di inviare i messaggi verso tutti, demandando al nodo host il compito di cercare le strade migliori per raggiungere i vari end device. Questa modalità è la più flessibile tra le disponibili. In alcuni casi si può addirittura pensare di ridurre queste caratteristiche, configurando una parte di rete in modo user-defined (con back-up): si pensi ad esempio a un gruppo di dispositivi relativamente distante dal resto della rete. In questa evenienza si potrebbe pensare a una direttrice (doppia, per mantenere la ridondanza) che colleghi le
110
due parti del sistema, configurata in modo rigido ma con ridondanza e tutto il resto del sistema configurato in broadcast mode.
Riguardo la sicurezza della rete è stato ritenuto sufficiente adottare la modalità di certificazione della rete di tipo address certification, che garantisce l’acceso ai soli dispositivi compatibili con la lista di indirizzi permessi. Questo aspetto influisce anche sulla scalabilità del sistema, poiché comporta un piccolo intervento di configurazione nel caso si voglia estendere la rete, inserendo nuovi dispositivi. Le reti in studio hanno la caratteristica di non essere troppo variabili nel tempo, perciò è stata scelta questa modalità che garantisce una sicurezza più elevata; non è escluso che in contesti ritenuti più dinamici e che non richiedano un elevato grado di sicurezza, si possa ricorrere alla certificazione mediante il solo PAN ID. C’è comunque da tener presente che lo SCADA di posto centrale dovrà esser aggiornato ogni qualvolta si modifichi la rete con l’aggiunta o l’eliminazione di dispositivi. Inoltre non sono state ritenute necessarie tecniche di crittografie dei messaggi, poiché questi non contengono dati sensibili.
Nel caso in studio, si è preferito dare priorità alle caratteristiche di completezza e versatilità dei moduli ZB della ICPDAS soprassedendo all’incapacità dei moduli di funzionare a batterie. Com’è stato possibile dimostrare nella fase di progettazione, questo limite non è stato troppo vincolante grazie alle svariate fonti di alimentazioni presenti nell’area d’interesse; nonostante ciò, aver avuto la possibilità di alimentare a batteria i nodi ripetitori, avrebbe dato un grado di libertà maggiore e reso più semplici alcune fasi di progettazione.
Per rendere il sistema adattabile al contesto si sono volutamente individuati dispositivi che comunicano nei protocolli più comuni in commercio in modo da potersi facilmente integrare con il resto del sistema. La non intrusività è stata invece garantita mediante l’utilizzo di sensori di corrente elettricamente disaccoppiati dalle grandezze da misurare. Le implementazioni effettuate sono inoltre caratterizzate da assorbimenti molto contenuti, specialmente negli apparati periferici, questo fattore contribuisce a rendere la rete diagnostica poco intrusiva nei confronti dell’impianto preesistente.
Altro fattore preponderante, che ha portato alla scelta dei moduli della serie ZB2000, è la vasta gamma di soluzioni che si possono realizzare mediante il loro impiego. I dispositivi ZB della ICP DAS sono infatti molto versatili sia dal punto di vista delle interfacce verso il campo sia per i possibili scenari operativi che si possono realizzare intervenendo in fase di configurazioni.
8.1.1 Certificazioni e prove di funzionamento per i dispositivi ZigBee
I nodi ZigBee impiegati nel progetto hanno superato, prima della commercializzazione, i più rigidi controlli ottenendo le marcature CE e FCC. In particolare i dispositivi ZB sono risultati conformi alle seguenti norme CE.
111
EN 301 489-1 V1.8.1 Compatibilità elettromagnetica e questioni relative allo
spettro radio (ERM); Compatibilità elettromagnetica (EMC) per le apparecchiature radio e i servizi; Parte 1: Requisiti tecnici comuni. Questa norma contiene i requisiti comuni per le comunicazioni radio e le apparecchiature ausiliarie per quanto riguarda la compatibilità elettromagnetica. Inoltre stabilisce le prove EMC applicabili, le modalità di misura, i limiti e i criteri di prestazione per le apparecchiature radio e le relative applicazioni. Per la classificazione dell’ambiente si fa riferimento alle norme EN 61000-6-3 e EN 61000-6-1 per l'ambito residenziale, commerciale e industriale leggero, alla TR 101 651 per un centro di telecomunicazioni e alla ISO 7637-2 per l'uso veicolare. I requisiti EMC sono stati selezionati per garantire un adeguato livello di compatibilità per apparecchi destinati ad essere utilizzati negli ambienti individuati. Nello specifico le prove eseguite relative alla EMC riguardano:
Emissioni irradiate, ovvero la misura dei disturbi RF emessi dall’apparato in prova nell’etere;
Emissioni condotte, ovvero la misura dei disturbi RF emessi attraverso le porte di alimentazione;
Emissioni di armoniche e flicker, che prevedono la valutazione delle armoniche generate ed immesse nella rete di alimentazione e della fluttuazione di tensione. Le prove di immunità eseguite sono relative a:
Immunità a campi elettromagnetici, effettuata con una potenza di trasmissione tale da ottenere un valore del campo elettrico di 3 V/m in prossimità del dispositivo. Il test viene effettuato con una portante sinusoidale alle frequenze 80 ÷ 1000 MHz e 1,4 ÷ 2,7 GHz (con step dell’1%) per mezzo di un segnale modulante AM con profondità 80% e frequenza 1 kHz;
Immunità alle scariche elettrostatiche, per valutare la capacità di continuità di funzionamento in presenza di scariche generate mediante appositi apparati;
Immunità ai transitori e ai buchi di rete, necessaria a valutare la capacità del dispositivo a svolgere il suo funzionamento anche in presenza di disturbi transitori come BURST (treni di impulsi), SURGE (simulazione delle fulminazioni) o interruzioni dell’alimentazione.
EN 301 489-17 V2.1.1 Compatibilità elettromagnetica e questioni relative allo
spettro radio (ERM); Compatibilità elettromagnetica (EMC) per le apparecchiature radio e i servizi; Parte 17: Condizioni specifiche per Sistemi per la trasmissione di dati a banda larga. Questa norma integra la norma EN 301 489-1 per la valutazione del sistema di trasmissione dati a banda larga, specificando le condizioni di prova applicabili, la valutazione delle prestazioni e i criteri di prestazione per i sistemi di comunicazione a banda larga. Tra le varie modifiche introdotte da questa norma, c’è l’esclusione della banda di frequenza operativa del dispositivo in test per quel che riguarda le prove di immunità.
112
EN 5022:2006/A1 2007: Apparecchiature per la tecnologia dell'informazione -
Caratteristiche di radiodisturbo - Limiti e metodi di misura. L'intenzione di questo standard è quello di stabilire i requisiti uniformi per il livello dei disturbi radio delle apparecchiature contenute nel campo di applicazione, di fissare limiti di disturbo e di descrivere i metodi di misura, le condizioni operative e l'interpretazione dei risultati.
EN 5024:1998/A1 2001/A2 2003: Apparecchiatura per la tecnologia
dell'informazione - Caratteristiche di immunità - Limiti e metodi di misura. Definisce i requisiti di prova di immunità per le apparecchiature in relazione ai disturbi continui e transitori, condotti e irradiati, incluse le scariche elettrostatiche (ESD). Sono definite le procedure per la misura di ITE (Information Technology Equipment) e sono stabiliti limiti specifici sviluppati nella gamma di frequenze da 0 Hz a 400GHz. Questa norma stabilisce i requisiti che garantiscono un adeguato livello di immunità intrinseca in modo che l'apparecchiatura funzioni come previsto nell’ambiente d’utilizzo. Le prove in esame sono specifiche per ogni porta del dispositivo.
Le prove descritte nelle precedenti norme hanno lo scopo di valutare la conformità dei dispositivi a determinati standard per quanto riguarda la compatibilità elettromagnetica e l’immunità ai disturbi. Possono inoltre essere eseguite delle prove per valutare i dispositivi dal punto di vista operativo e funzionale. Di seguito verranno indicati una serie di test possibili, mirati alla valutazione delle prestazioni dei nodi ZigBee.
Test di funzionamento in laboratorio: test da effettuare con un nodo ZigBee host,
uno o più slave, un ripetitore ed uno sniffer. Lo scopo della prova è quello di valutare le prestazioni del sistema in condizioni di ambiente di tipo ufficio (dove sono presenti computer, strumenti di misura, armadi metallici e persone) per poi confrontare i risultati con un ambiente di tipo ferroviario. Questo confronto servirà come punto di riferimento per le altre prove effettuate in laboratorio. Con queste condizioni al controno possono essere eseguite le seguenti prove:
Livello dell’RSSI al variare della distanza, l’RSSI (received signal strength indicator) dà un’indicazione della potenza contenuta in un segnale radio e viene espressa in percentuale nell’interfaccia ZigBee Sniffer Utility (Figura 8.1). Può essere analizzato l’andamento di questo indice al variare della distanza del nodo host da uno slave, tenendo presente che per valori al di sotto del 50% la comunicazione deve essere considerata troppo debole per il corretto funzionamento. Da questa prima prova può emergere un valore della distanza limite tra due nodi in ambiente d’ufficio, da confrontare con i valori forniti dal costruttore rilevate in condizioni ottimali.
113
Livello dell’RSSI con un ripetitore, La precedente prova può essere ripetuta con l’inserimento di un nodo ripetitore tra host e slave per valutare l’effettiva estensione del range di copertura che avviene in un ambiente di questo tipo. Valutazione della PER (Packet Error Rate), L’interfaccia del tool, in dotazione
con lo sniffer, mostra anche l’esito del controllo di correttezza dei pacchetti effettuato mediante CRC (Figura 8.1). Il tasso di pacchetti errati può essere rilevato in funzione della distanza, una volta determinato il massimo PER accettato in funzione dell’applicazione si può valutare il relativo RSSI. Questo test permette di stabilire se il valore limite del livello RSSI dato dal costruttore è compatibile con l’applicazione in studio. Un tasso d’errore alto nonostante un RSSI al di sopra del 90% è da attribuirsi alle interferenze.
Rilevamento della distanza limite mediante i pacchetti Connection Check, in condizioni di funzionamento normale i pacchetti di controllo connessione ed i relativi ack vengono scambiati ogni 20 secondi. In presenza di frequenti disconnessioni tali pacchetti di controllo vengono inviati più frequentemente e possono non ricevere risposta. Portando i dispositivi in condizioni limite tra il corretto funzionamento e quello errato, possono essere rilevate ulteriori informazioni sulla distanza limite nell’ambiente in studio.
Scalabilità della rete, determinata la distanza limite mediante le prove precedenti, si posizionano il nodo host ed uno slave ad una distanza sufficiente per il corretto funzionamento (ad esempio 15% al di sotto della distanza limite). In queste condizioni si valutano le variazioni dei livelli relativi al PER e all’RSSI all’aumentare dei nodi slave (ad esempio da uno a venti). Questa prova permette di rilevare le variazioni di prestazioni derivanti dall’aumentare dei nodi.
Test di funzionamento in campo: I test precedentemente svolti in laboratorio
possono essere ripetuti in un ambiente di tipo ferroviario per valutare le variazioni che possono avvenire nello scenario reale di installazione e calibrare la progettazione della rete. Visto la complessità che può derivare dall’eseguire la prova di scalabilità in ambiente ferroviario, questa può essere tralasciata ed i risultati possono essere estrapolati dal confronto con le altre prove nei due ambienti.
114
Figura 8.1 Interfaccia dello ZigBee Sniffer Utility
8.2 Valutazione delle criticità
Il carattere sperimentale di questo progetto ha anche lo scopo di portare alla luce eventuali fattori critici che si possono manifestare. Di seguito verranno analizzati i principali inconvenienti incontrati nel progetto e quelli che si pensa possano emergere in una fase successiva all’installazione.
Singolarità del coordinatore: visto che due dispositivi di questo tipo non possono
coesistere sulla solita rete (PAN ID), non sarà possibile prevedere una hot spare (scorta calda) ovvero una ridondanza che diventi attiva automaticamente al mancato funzionamento del nodo titolare. Per ridurre i tempi di ripristino si potrà comunque prevedere una cold spare (scorta fredda) già configurata e pronta per essere installata, o addirittura una warm spare (scorta pronta) già installata e configurata ma tenuta in standby e attivata manualmente solo in caso di necessità. Un semplice modo per realizzare una condizione di warm spare è quello di installare e configurare due nodi coordinatori identici ma attivare, mediante il selettore ZBRUN, solamente uno dei due tenendo l’altro in modalità di configurazione ZBSET.
Disconnessione momentanee dei nodi: temporanee disconnessioni dei nodi
possono essere dovute a svariate cause visto che le variabili in campo sono molteplici, potranno essere accettate disconnessione per un tempo ritenuto non troppo elevato, risolvendo il problema della mancata comunicazione con l’impostazione, sul software SCADA, di timeout sufficientemente lunghi. Superato un determinato lasso di tempo le disconnessioni non saranno più accettabili, se fossimo in presenza di situazioni di questo tipo sarà necessario analizzarle una ad una e valutare posizionamenti diversi dei ripetitori o addirittura l’aggiunta di alcuni nodi.
115
Interferenza con altri sistemi Wireless: visto il raggio di copertura relativamente
ridotto dei dispositivi, i vari canali RF a disposizione, le tecniche di spreading ed il fatto che non siano presenti, nell’area d’interesse, altri sistemi wireless adottati dalle ferrovie operanti sulle stesse frequenze, non si ritiene ci possano essere fattori di disturbo di questo tipo per la rete in sperimentazione. Nel caso invece di installazione completa in una stazione ferroviaria, i fattori interferenti potrebbero essere maggiori e la coesistenza tra i vari sistemi sarà studiata di seguito. Si propone inoltre, nell’eventualità sia presente una rete WiFi di stazione, di farla trasmettere alla frequenza di 5,4 GHz.
8.2.1 Coesistenza con altri sistemi Wireless
Il tipo di modulazione a spettro espanso impiegata dai dispositivi ZigBee, garantisce una elevata immunità alle interferenze a banda stretta (nella banda RF) e al rumore.
Uno dei problemi maggiori per un sistema che utilizzi un livello MAC basato su CSM-CA, è l’interferenza con altri sistemi che utilizzino tecniche di spreading e che trasmettano nella medesima banda. I principali standard commerciali che possono interferire con la rete IEEE 802.15.4 sono :
IEEE 802.11 b/g (WiFi) IEEE 802.15.1 (Bluetooth)
IEEE 802.15.3 (High Rate WPAN WiMedia)
Queste possibili interferenze sono studiate nell’ Annex E dello standard IEEE 802.15.4. I meccanismi che permettono una migliore coesistenza con le altre tecnologie wireless che operano nella banda a 2,4 GHz sono:
Clear Channel Assessment: valutazione dell’energia sul canale necessaria per implementare il meccanismo CSMA-CA. Il fatto di ascoltare il canale prima di trasmettere, migliora la convivenza con le altre tecnologie, infatti permette di valutare se il canale è occupato da qualsiasi dispositivo indipendentemente da quale protocollo di comunicazione adotti.
Selezione dinamica del canale: esistono dispositivi che, se impostati in questa modalità, scansionano una serie di canali, individuati nella Channel List, selezionando quello ritenuto migliore. Questa modalità non è prevista nei dispositivi utilizzati nel progetto.
Modulazione: nella specifica si usa, per la banda a 2,4 Ghz, lo schema quasi-orthogonal, per cui ogni simbolo è rappresentato da una delle 16 sequenze Pseudo Noise quasi ortogonali. Questo è una modulazione molto potente che permette di avere requisiti bassi di rapporto segnale rumore (SNR) e rapporto segnale
116
interferenza (SIR) a scapito di una larghezza di banda che è significativamente maggiore della velocità di simbolo.
Energy Detection and Link Quality Indication: sono due funzioni di misura che indicano il livello di interferenza all’interno del canale. L’Energy Detection è una stima del canale che serve ad implementare un meccanismo di scelta del canale a livello Network. L’LQI misura l’energia ricevuta e l’SNR per ogni pacchetto ricevuto, con l’intento di valutare se i dati ricevuti sono corrotti.
Bassi duty cycle: le specifiche di questo standard sono concepite per applicazioni con bassa potenza e bassa velocità di trasmissione. Le applicazioni tipiche previste lavorano con bassi duty cycle (sotto l’1%) riducendo la possibilità di collidere con le altre.
Bassa potenza di trasmissione: i dispositivi impiegati sono conformi alle normative europee per cui non possono trasmettere ad una potenza superiore e 10 dBm15. Questo fattore limita il raggio di copertura e di conseguenza le possibili interferenze.
Allineamento dei canali: il fatto che esista un set di canali non sovrapposti con la specifica IEEE 802.11b (4 canali nello specifico) migliora la loro robustezza.
In Figura 8.2 viene riportato l’andamento teorico relativo alla relazione tra BER (Bit Error Rate) e SNR per le varie tecnologie considerate interferenti, eseguito sulla base di modelli matematici. Si può notare come, al di sotto di un certo valore di BER, a parità di Bit Error Rate, la tecnologia 802.15.4 accetti SNR minori delle altre. Per esempio per ottenere una BER=10-8 sono sufficienti3 dB di rapporto segnale rumore per la tecnologia IEEE 802.15.4 mentre occorrono 9 dB per dispositivi utilizzanti la tecnologia IEEE 802.11.b (11 Mbps) e addirittura 16 dB per la IEEE 802.15.1.
15
117
Figura 8.2 BER per le varie tecnologie
Inoltre sono state effettuate delle simulazioni di coesistenza tra le tecnologie interferenti sempre sulla base di modelli matematici. Sono stati definiti i valori di riferimento per le grandezze d’interesse come: sensibilità del ricevitore, potenza di trasmissione, banda di ricezione e maschera spettrale di trasmissione. Il canale è stato modellato come segue:
118
Dove SINR rappresenta il rapporto segnale, interferenze più rumore. E’ stato ipotizzato, per ciascuno dei casi, un ricevitore di prova con un segnale ricevuto al di sopra di 10 dB della sensibilità richiesta e un singolo interferente con potenza di trasmissione individuata.
I risultati delle prove mostrano come i dispositivi IEEE 802.15.4 resistano ad interferenze con frequenze interferenti abbastanza distanti, fino a che la fonte dell’interferenza si trovi a circa due metri di distanza; mentre per interferenze a frequenza vicina o co-canale è sufficiente una distanza superiore (alcune decine di metri). Si può osservare inoltre come la potenza di trasmissione sia il fattore dominante dell’interferenza co-canale, infatti i dispositivi IEEE 802.15.4 sono i primi a degradare rispetto alle altre tecnologie che presentano una potenze di trasmissione più alta.
L’esito di una delle varie simulazione eseguite nell’Annex E della IEEE 802.15.4 è riportato in Figura 8.3 dove emerge che il dispositivo ZigBee degrada quando il nodo interferente WiFi si trova ad una distanza di circa 70 m, in condizioni di interferenza co-canale, mentre è necessaria una distanza inferiore a quattro metri per generare il degrado, nel caso di una frequenza interferente con offset di 47 MHz.
119
Figura 8.3 PER per IEEE 802.15.4 in relazione alla distanza col nodo interferente IEEE 802.11b
E’ necessario specificare che nelle simulazioni eseguite non sono stati presi in considerazione alcuni meccanismi che migliorano la risposta all’interferenza come l’uso del CCA e il basso duty cycle, tipico delle applicazioni ZigBee, per cui le valutazioni precedentemente fatta sono pessimistiche rispetto alla realtà.
8.3 Possibili sviluppi
L’esito della sperimentazione potrebbe aprire le porte a questa tecnologia per altre applicazioni in ambito ferroviario. Oltre alla diagnostica dei sistemi RED, i principali impieghi ritenuti compatibili con sistemi ZigBee sono:
Rilevamento di grandezze caratteristiche derivanti da enti ferroviari, come casse di manovra per deviatoi, segnali, circuiti di binario o altro;
Installazioni ad hoc, si può pensare di sfruttare una WSN esistente per il monitoraggio temporaneo di determinati comportamenti su enti non direttamente diagnosticati dalla stessa rete. In questo caso la WSN esistente fungerebbe da supporto trasmissivo per collegare un determinato ente da tenere sotto controllo con un posto di raccolta dati.
120
In questa prima fase di sperimentazione si è ritenuto opportuno utilizzare dei dispositivi ZigBee completi e pronti per l’utilizzo. Per le fasi successive, specialmente se è richiesto l’impiego di un numero considerevole di nodi, è consigliabile l’impiego di moduli microcontrollori. Questi dispositivi infatti, oltre ad avere un costo più contenuto, offrono una totale libertà di configurazione sia dal punto di vista hardware che software in modo da poter customizzare al meglio il prodotto e renderlo perfettamente aderente alle esigenze delle varie applicazioni. Inoltre, il basso consumo di energia rende questi nodi particolarmente adatti a essere alimentati a batterie, andando a migliorare ulteriormente le caratteristiche del prodotto.
Sebbene le caratteristiche del protocollo ZigBee e il range di copertura dei dispositivi, renda questa tecnologia particolarmente adatta all’utilizzo in aree non troppo vaste, si può pensare di ideare una rete ZigBee anche per la copertura di brevi tratti di linea ferroviaria. Si potrebbe infatti utilizzare il modello PA (Power Amplifier), magari interfacciato con un’antenna più direttiva di quella prevista in dotazione, in modo da ridurre le interferenze verso l’esterno. I moduli ZB, nella versione PA, arrivano a coprire distanze di 700 m: utilizzando quindi i ripetitori nella versione PA si potrebbero raggiungere distanze considerevoli con un numero limitato di nodi. La ridondanza potrebbe essere creata configurando i ripetitori in modalità percorso fisso con backup e installandoli alternativamente sui due lati dei binari, ad una distanza tale che il guasto ad un singolo nodo permetta comunque il funzionamento della rete.
