FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
L'importanza delle comunicazioni mission-critical non è mai stata messa in discussione. Si immagini un treno di carri cisterna, pieni di benzina, che viaggia a velocità eccessiva. Si sta avvicinando rapidamente ad una sezione curva del binario, dove potrebbe ribaltarsi. ...
Nel frattempo, non lontano dal treno, c'è un passaggio a livello in cui un'enorme autocisterna che trasporta sostanze chimiche infiammabili è bloccata sui binari e blocca la strada. Il disastro è imminente!
Fortunatamente esistono i sistemi di sicurezza, i cosiddetti sistemi "Mission Critical" che prevengono incidenti e/o limitano le conseguenze, anche se a volte indirettamente.
Fig. 1 - Architettura di un sistema di comunicazione per applicazioni criticheNello scenario descritto precedentemente, viene installato un sistema di protezione della marcia, che controlla la velocità del treno per evitare collisioni, deragliamenti e altri potenziali pericoli. Ad esempio, rallenta il treno per consentirgli di superare la curva in sicurezza e poi farlo fermare prima che raggiunga il passaggio a livello.
Allo stesso tempo, il conducente dell'autocisterna è in grado di richiedere assistenza in caso di guasto utilizzando la rete di comunicazione privata della sua azienda, ad esempio di tipo DMR (Digital Mobile Radio) .
Con un'ulteriore evoluzione della tecnologia, una rete LTE può essere utilizzata dai servizi di emergenza (ad esempio FirstNet negli Stati Uniti), per condividere file di grandi dimensioni (video/immagini) con esperti situati in remoto.
Va da sé che tali sistemi di comunicazione devono essere correttamente installati e mantenuti con un set adeguato di apparecchiature di test e misura.
L'obiettivo fondamentale delle reti radio per la sicurezza di tipo mission-critical (LMR, Land Mobile Radio) è quello di garantire sempre una comunicazione affidabile e priva di interferenze. Fondamentalmente, i componenti principali di una rete di comunicazione critica devono garantire:
Una rete per la sicurezza LMR può anche includere realizzazioni commerciali, note anche come reti PMR (Private Mobile Radio). Le attuali reti LMR/PMR attualmente più diffuse sono basate principalmente su standard digitali, applicabili a diversi tipologie di utenza, tra cui:
TETRA è lo standard dominante per la realizzazione di reti per la sicurezza pubblica e la gestione delle emergenze (PDPR, Public Protection and Disaster Relief), mentre P25 è lo standard obbligatorio per le reti dedicate alla sicurezza pubblica negli Stati Uniti.
I sistemi TETRA sono più convenienti in reti di più alta capacità mentre il sistema P25 ha una maggiore portata.
Per la comunicazione dati, TETRA offre la massima larghezza di banda aggregando i suoi 4 canali di traffico vocale (basati su TDMA) in un unico canale dati dall'ampiezza di 25 kHz. Allo stesso tempo, DMR è lo standard digitale in più rapida crescita che consente di realizzare sistemi digitali convenienti con una complessità inferiore.
Fig. 2 - Panoramica degli standard LMR
Al giorno d’oggi anche la tecnologia LTE sta entrando nell'arena della sicurezza pubblica. Il fattore trainante è la necessità di realizzare sistemi di comunicazione a banda larga affidabili. Molte attività richiedono servizi a banda larga, ad esempio quando i primi soccorritori devono accedere ad applicazioni ad alta intensità di dati, cercare database online o condividere video, anche in tempo reale.
È evidente la necessità di disporre di dispositivi di comunicazione potenti, robusti e facili da usare, simili agli smartphone, per soddisfare i requisiti di pubblica sicurezza e fornire funzionalità e servizi avanzati per assistere i professionisti nella loro missione di salvare vite umane.
L'attuale tendenza alla convergenza dei sistemi di comunicazione 4G (LTE), PMR e LMR in alcune aree è evidente, ed è però altrettanto chiaro che un sistema LMR non verrà sostituito da una rete LTE in tempi brevi.
I sistemi LMR sono in una soluzione nota e garantiscono una comunicazione vocale affidabile, che è il requisito numero uno per qualsiasi sistema di sicurezza pubblica. Come accennato, gli aspetti di copertura e la capacità di resistere alle interferenze svolgono qui ruoli importanti.
Affinché le reti LTE forniscano la stessa area di copertura di una rete LMR anche nelle zone più remote e scarsamente popolate del territorio, gli operatori dovranno installare molte più stazioni base e più ravvicinate, aumentando così i costi delle apparecchiature e della manutenzione, riconoscendo anche che LTE non è una tecnologia perfetta per resistere alle interferenze.
Per realizzare la prossima generazione di reti di comunicazione per la sicurezza pubblica, è più probabile che venga adottata una tecnologia ibrida LTE / PMR, in cui le reti LMR a banda stretta saranno utilizzate per la fonia e le reti LTE a banda larga per dati ad alta velocità.
È importante notare che le reti LTE dedicate alla sicurezza pubblica differiscono dalle implementazioni commerciali, in quanto hanno caratteristiche e requisiti speciali per renderle più affidabili.
Fig. 3 - Spettro allocato alle reti LTE/FirstNet, ESN (UK), SafeNet
LMR e LTE sono tecnologie molto diverse e richiedono strumenti diversi per l'installazione e la manutenzione. Dal punto di vista dei test, il supporto per due diverse tecnologie o due reti separate può diventare impegnativo.
Le misure richiedono spesso una serie di strumenti diversi, che devono essere tutti portati in un sito che potrebbe trovarsi ad una certa distanza, quindi le dimensioni e il peso combinati di tali apparecchiature di prova diventano un problema.
Vengono certamente preferiti gli strumenti di misura portatili alimentati a batteria, dispositivi in grado di gestire la complessità dei test delle reti LTE, comprese tecnologie di trasmissione avanzate, come MIMO e OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access).
Fig. 4a - Potenza del segnale LTE in funzione dei Resource blockEffettuando misure sui parametri fondamentali dei segnali, come EVM (Error Vector Magnitude) e BER (Bit Error Rate) per verificare la qualità del segnale, la fedeltà alla modulazione e la sensibilità del ricevitore nelle reti LMR, tecnici e operatori di rete possono avere fiducia nel fatto che i sistemi di comunicazione mission-critical che stanno installando o che stanno mantenendo funzioneranno in modo affidabile e secondo le specifiche.
Ad esempio, un elevato utilizzo dei Resource Block indicherebbe un sito cellulare in fase di sovraccarico e potrebbe essere opportuno iniziare a pianificare della capacità aggiuntiva.
Fig. 4 b - Qualità della modulazione dei canali di controllo di un segnale LTE
La qualità della modulazione e la potenza dei canali di controllo nelle reti LTE assume una grande importanza per garantire le prestazioni di una rete cellulare LTE.
Valori elevati di potenza dei segnali creeranno aree più ampie di interferenza tra le celle adiacenti e produrranno velocità di dati più basse vicino ai limiti di copertura delle celle.
Valori bassi di potenza influiscono sulla copertura, specialmente nelle zone interne degli edifici.
Le visualizzazioni multifunzione degli analizzatori P25 (Fig. 4c) e TETRA (Fig.4d) offrono un riepilogo completo della qualità del segnale RF misurato dagli strumenti.
 Fig. 4c - Analisi segnali RF rete P25 |
 Fig. 4d - Analisi segnali RF rete TETRA |
Per garantire la salute di un sistema di comunicazione, pur considerando principalmente la "parte RF", non solo deve essere controllata la qualità del segnale, ma deve essere analizzata e mantenuta in perfetta efficienza anche l'intera catena dove passa il segnale utile, che comprende antenne, cavi/feeders, porte RF (disadattamento VSWR), combinatori, duplexer/diplexer, amplificatori, transceiver e ricevitore.
Inoltre, bisogna essere in grado di ricercare e limitare le interferenze, oltre a mappare in modo affidabile la reale copertura delle rete.
Queste attività possono richiedere l'utilizzo una serie di strumenti di misura e collaudo, tra cui un analizzatore di spettro, un analizzatore di reti vettoriali, un generatore di segnali vettoriale, un misuratore di potenza, un oscilloscopio e altri.
Le prestazioni RF dello strumento di misura devono corrispondere ai requisiti del sistema di comunicazione con un margine ragionevole di miglioramento verso l’alto.
Parametri come sensibilità (per effettuare migliori misure sul trasmettitore), presenza di spurie (per assicurare che i risultati delle misure provengono da segnali reali e non da quelli generati all'interno dello strumento), rumore di fase (per effettuare migliori misure di modulazione), TOI (minore distorsione generata internamente), reiezione del canale adiacente (per fare misure migliori in presenza di uno spettro affollato) e gamma dinamica sono tutti estremamente importanti da considerare per scegliere lo strumento di prova più adatto.
Inoltre, esistono sul mercato i cosiddetti analizzatori combinati (combination analyser) che contengono al loro interno un set completo di strumenti multifunzione in un singolo contenitore.
Un analizzatore combinato riduce significativamente la fatica dei tecnici che lavorano sul campo, riducendo il numero di strumenti necessari per verificare il funzionamento dell'infrastruttura dei sistemi di comunicazione.
Un esempio di tale tipologia di strumenti è il modello Anritsu LMR Master S412E, un analizzatore portatile alimentato a batteria con una suite di funzioni tra cui quelle per analizzare le reti wireless broadband (LTE) e narrowband (LMR).
Lo strumento include anche le funzionalità necessarie per effettuare la mappatura della copertura all'interno di edifici, le misure del livello di campo elettromagnetico (EMF), per verificare la conformità dell'irradiazione secondo vari standard nazionali, e la ricerca di interferenze.
Superare tutte le sfide per garantire comunicazioni affidabili tramite una rete dedicata alla sicurezza pubblica richiederà sforzi significativi e un'attenta valutazione della loro realizzazione pratica.
Disporre degli strumenti giusti e comprendere l'importanza di efffettuare test adeguati sulle reti sistemi mission-critical garantirà ai professionisti della sicurezza le migliori risorse di comunicazione per svolgere i loro così vitali compiti.
Uno strumento di misura leggero e alimentato a batteria, come l'analizzatore combinato menzionato in precedenza, grazie alle sue caratteristiche può essere facilmente trasportato in qualsiasi luogo, anche distante, al fine di risolvere problemi critici che affliggono un sistema di comunicazione mission-critical.
*Maksim Pud lavora in Anritsu come Field Application Engineer
