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COMUNICAZIONI A RADIOFREQUENZA Teoria e sperimentazione pratica Prof. Giorgio Matteo Vitetta Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari”


Organizzazione della presentazione

• Smart gas metering • Wireless M-Bus • Perdite di propagazione: risultati teorici • Perdite di propagazione: valutazione sperimentale • Conclusioni


Smart gas metering

• La nuova architettura della rete gas prevede un insieme di gruppi di misura (GdM) installati presso le utenze e che trasmettono i dati di consumo verso un centro per la gestione della rete di competenza (SAC). Quest’ultimo è abilitato a leggere e configurare i GdM e gli altri componenti del sistema. • I GdM supportano la telegestione (comando remoto per la gestione della valvola) e possono comunicare col SAC attraverso concentratori o direttamente.


Smart gas metering


Smart gas metering

• In Italia sono state considerate le seguenti due possibilità per la modalità di comunicazione wireless fra i GdM ed il relativi concentratori: - ZigBee (2.4 GHz) con ripetitori; - Wireless M-Bus (nella banda 169.4–169.475 MHz; norma EN 13757-4 - radio meter reading for operation in SRD bands).


Wireless M-Bus

• Il protocollo di comunicazione Wireless MBus (estensione dello standard europeo M-Bus per comunicazioni wired) è stato sviluppato per consentire la trasmissione via radio dei dati di consumo registrati da un contatore. • Tale protocollo, ormai ben noto nel settore dello smart metering, consente la comunicazione con tutti i sistemi di lettura (energia, acqua, gas) aderenti a questo standard e permette di eliminare qualunque operazione manuale.


Wireless M-Bus


Wireless M-Bus

• Test eseguiti in Francia dal distributore GrDF con 20,000 GdM residenziali operanti a169 MHz, a 433 MHz ed a 868 MHz hanno mostrato che 169 MHz è la frequenza preferibile. Infatti, la propagazione di segnali elettromagnetici a quella frequenza garantisce un buon raggio di copertura (1.5 km in aree urbane e 2040 km su terreno aperto utilizzando antenne a λ/4) e, quindi, permette di minimizzare i costi per la realizzazione della infrastruttura. In pratica, ciò permetterebbe di installare la minima quantità di concentratori e di evitare l’installazione di ripetitori alimentati a batteria (che comporterebbero spese di manutenzione elevate).


Perdite di propagazione: risultati teorici

• Un sistema di smart gas metering richiede un’attenta pianificazione. In particolare, occorre prestare grande cura nel posizionamento dei concentratori, il cui numero complessivo deve essere minimizzato in una zona di copertura assegnata. • La scelta delle posizioni dei concentratori può essere ottimizzata soltanto se si dispone di una conoscenza approfondita delle leggi che descrivono le perdite di propagazione a 169 MHz.


Perdite di propagazione: risultati teorici

Perdita di propagazione o perdita di cammino (path loss) L (d ) ≜

PT PR ( d ) PR ( d )

PT


Perdite di propagazione: risultati teorici

• In spazio libero (free space) … d  L fs ( d ) ∝   λ 

2

(λ ≅ 1.78 m nello scenario considerato)

d  L fs ( d )dB = 20log10 L fs ( d ) = L fs ( d 0 )dB + 20log10    d0 

distanza di riferimento


Perdite di propagazione: risultati teorici

• In spazio libero …  PR  P   T dB

log10 ( d / λ )


Perdite di propagazione: risultati teorici

• In uno scenario outdoor reale …  PR  P   T dB

Rapide fluttuazioni nella potenza del segnale ricevuto!

log10 ( d / λ )


Perdite di propagazione: risultati teorici

• Le rapide fluttuazioni nella potenza sono imputabili alla presenza di molteplici echi, associati a cammini diversi (multipath), che interferiscono ora in modo costruttivo, rafforzando il segnale ricevuto, ora in modo distruttivo, attenuando apprezzabilmente il segnale stesso. Gli effetti dovuti alla reciproca interferenza degli echi possono mutare notevolmente anche in seguito a piccoli spostamenti del ricevitore. • Tali fluttuazioni di intensità rappresentano gli effetti su piccola scala dovuti alla propagazione (evanescenza su piccola scala)


Perdite di propagazione: risultati teorici


Perdite di propagazione: risultati teorici

• Dalla curva prima rappresentata ne può essere sempre estrarre un’altra, che rappresenta l’andamento medio del rapporto ( PR / PT )dB .  PR  P   T dB

Andamento medio

log10 ( d / λ )


Perdite di propagazione: risultati teorici

• Nella letteratura tecnica per giustificare questo andamento si introducono due diversi fenomeni che si verificano nel canale radio e che sono manifestazioni della cosiddetta evanescenza su grande scala. • Tali fenomeni sono: 1. Perdita di cammino (path loss). Ăˆ dovuta alla dispersione spaziale della potenza irradiata nel mezzo trasmissivo. 2. Adombramento (shadowing). Ăˆ imputabile alla presenza di ostacoli interposti fra il trasmettitore ed il ricevitore).


Perdite di propagazione: risultati teorici


Perdite di propagazione: risultati teorici

• In sintesi …  PR  P   T dB

Path loss

log10 ( d / λ )

 PR  P   T dB

Path loss & shadowing

log10 ( d / λ )


Perdite di propagazione: risultati teorici

 PR  P   T dB

Path loss, shadowing & multipath

log10 ( d / λ )


Perdite di propagazione: risultati teorici

• L’area di copertura di una trasmissione radio e, quindi, la disponibilità di un servizio in una certa area geografica è influenzata dell’evanescenza su grande scala, cioè dalla combinazione della perdita di cammino con l’adombramento. • Pertanto, se si vuole valutare agevolmente l’area di copertura, è utile disporre di modelli matematici che possano descrivere, con ragionevole accuratezza, l’attenuazione introdotta dall’evanescenza su grande scala. • Infatti, tali modelli permettono di stimare la probabilità di fuori servizio (outage) in un’area geografica assegnata.


Perdite di propagazione: risultati teorici

PR ( d ) = ?

PT

PR ( d ) =

PT LPL ( d ) â‹… LS

fattore deterministico

fattore aleatorio


Perdite di propagazione: risultati teorici

d  L fs ( d )dB = L fs ( d0 )dB + 20log10    d0 

LPL ( d )dB

d  = LPL ( d 0 )dB + n ⋅ 10log10    d0  LS ,dB = X

in spazio libero

in uno scenario reale


Perdite di propagazione: risultati teorici

Parametri del modello:

1. n (esponente della perdita di cammino) d  LPL ( d )dB = LPL ( d 0 )dB + n ⋅ 10log10    d0 

2. Proprietà statistiche della quantità aleatoria X LS ,dB = X


Perdite di propagazione: valutazione sperimentale TX

RX RSS


Perdite di propagazione: valutazione sperimentale


Perdite di propagazione: valutazione sperimentale

Waveguiding


Perdite di propagazione: valutazione sperimentale

• Dipendenza del modello da - Scenario (urbano, rurale, collinare ‌); - Altezza delle antenne degli apparati radio; - Frequenza di trasmissione.


Conclusioni

• Sono stati dati alcuni cenni all’utilizzo del protocollo di comunicazione Wireless M-Bus nel settore dello smart gas metering. • Sono state esaminate brevemente le perdite di propagazione che si riscontrano in un sistema di comunicazione radio. • L’analisi svolta mette in luce la complessità della campagna di misure e della successiva elaborazione dei dati richieste per estrarre dei modelli affidabili per le perdite di propagazione ad una frequenza assegnata.

Comunicazioni a radiofrequenza teoria e sperimentazione pratica  
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