Powerline, tutto quello che devi sapere

Cerchiamo di capire cos’è la tecnologia powerline e perché può essere utile nelle nostre abitazioni.

Che cos’è la tecnologia powerline?

Powerline è una tecnologia per comunicazioni di rete adattata per essere usata sulle reti elettriche esistenti. L’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) e HomePlug Alliance hanno creato gruppi di lavoro e standard per la tecnologia powerline che possono essere applicati a griglie elettriche così come ai circuiti all’interno nelle case.

Infatti, quando sentite o leggete il termine Smart Grid, molte delle applicazioni industriali proposte usano la tecnologia Powerline. Sul fronte consumer, si può riconoscere un’applicazione della tecnologia nell’industria elettrica, sotto forma di contatori intelligenti. Mentre non tutti i contatori intelligenti usano powerline, quelli che lo fanno sono un esempio di come l’industria elettrica usi le reti esistenti per scambiare dati, in modo da ottenere letture sul vostro consumo di elettricità.

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Soffermandosi su questo scenario, l’uso di linee elettriche per trasmettere dati potrebbe significare che, in futuro, le aziende del settore energetico potrebbero diventare un’alternativa agli ISP (Internet Service Provider) nel fornire connettività nelle case. Anche se potrebbe non essere uno scenario per le aree più densamente popolate, fornire Internet ad abitazioni in zone più remote tramite powerline potrebbe essere una soluzione. D’altronde gli ISP sono spesso riluttanti nel cablare alcune zone, a causa del ritorno economico inadeguato.

Anche se potrebbe essere entusiasmante combinare la distribuzione di elettricità e Internet, in questo articolo ci focalizziamo sulle applicazioni casalinghe. Usare powerline vi consente di sfruttare la vostra rete elettrica casalinga per le vostre necessità di rete, superando il bisogno d’inserire una presa Ethernet in ogni stanza per avere connettività cablata. Datevi un rapido sguardo attorno e contate quante prese vedete. Ognuna di queste è un potenziale collegamento di rete se usate Powerline!

Entusiasti? Calma, calma. Non potete inserire semplicemente un cavo Cat 5e o Cat6 in una presa elettrica e iniziare a vedere video su YouTube. Dovete inserire un adattatore powerline nella presa per convertire il protocollo Ethernet 802.3 nel più recente standard powerline, chiamato HomePlug AV2, per trasmissioni tramite i cavi elettrici.

Qualcuno di voi si starà chiedendo che ne è stato della prima specifica di HomePlug AV. Per avere la risposta è necessario addentrarsi nella storia, risalendo fino alla National Security Agency.

In un articolo del 2011 intitolato Data Communications via Powerlines, molto prima dello standard HomePlug, c’erano quattro protocolli powerline in lizza per diventare la soluzione di High Speed Powerline Communications (HSPLC). I protocolli e le aziende che li sostenenvano includevano PowerPacket by Intellon, Plug-In PLX by Intelogis, Digital Powerline e AN1000 Powerline di Adaptive Networks.

Tutti erano stati sviluppati per trasmettere dati ad alte velocità, compensando i problemi inerenti l’uso dei fili elettrici per trasmettere, come l’alta attenuazione, l’interferenza e disallineamenti dei segnali.

È stato formato un comitato sotto il nome HomePlug Alliance, composto dai big player dell’industria dei computer e delle soluzioni di rete. Nel primo anno del ventunesimo secolo, due settimane prima del solstizio d’estate, il lancio della monetina diede “testa” e così PowerPacket fu scelto per essere lo standard di comunicazione powerline. In realtà la decisione è stata basata principalmente per l’uso da parte di PowerPacket di Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) per avere migliori prestazioni e una trasmissione del segnale più stabile.

Forse per un miglior riconoscimento da parte di consumatori e industria il nome PowerPacket venne eliminato in favore di HomePlug 1.0. A quel punto la velocità di trasmissione dei dati era limitata a circa 5 Mb/s – anche se era reclamizzata fino al massimo teorico di 14Mb/s – e le trasmissioni operavano in un intervallo di frequenze tra 4 e 20 MHz.

Ma 5 Mb/s erano sufficienti per vedere un 10 ore di video del Nyan Cat in Full HD giocando contemporaneamente a Call of Duty 2? Ovviamente no! Siamo certi che lo capì anche la HomePlus Alliance. Così nel 2005 crearono le nuove specifiche powerline, HomePlug AV.

HomePlug AV

HomePlug AV è lo standard di molti prodotti powerline sul mercato ancora oggi. Fornisce una velocità teorica di 200 Mb/s mentre opera nell’intervallo di frequenza tra 2 e 28 MHz.

Per gestire efficientemente la trasmissione e ricezione dei dati c’è una separazione logica tra i meccanismi di gestione dei dati e di controllo. Nel networking enterprise spesso avrete sentito parlare di ciò rispettivamente come “control plane” e “data plane”. A capo dei meccanismi di controllo c’è un processo chiamato Central Coordinator. È accompagnato da un processo di controllo chiamato Connection Manager.

Pensate a questi due come un amministratore delegato, responsabile di prendere le decisioni e un direttore operativo, responsabile per l’esecuzione di quelle decisioni. Il flusso informativo non è pero solo a una via, in quanto Connection Manager restituisce dati al Central Coordinator in modo che se necessario si possa intervenire su decisioni future.

Homeplug AV Architecture1

Il Connection Manager ha due membri dello staff a sua disposizione: MAC e PHY. Per prima cosa abbiamo il Physical Layer, che nell’OSI Model è chiamato Layer 1 e nel gergo Powerline è definito PHY.

PHY si occupa della gestione del canale e della velocità dell’informazione, indicate nella specifica HomePlug AV come 200 Mb/s e 150 Mb/s, rispettivamente. Potreste chiedervi cosa rappresenti quel gap di 50 Mb/s. Secondo il teorema di Shannon-Hartley, esiste una velocità massima per la capacità massima del canale tramite il quale l’informazione può essere trasmessa senza dover correggere gli errori. Questa velocità nelle specifiche HomePlug AV è pari a 200 Mb/s. La perdita di 50 Mb/s è il risultato della necessità di compensare gli errori di trasmissione. Le prestazioni al PHY sono ottenute tramite Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) e Turbo Convolutional Code (TCC).

OFDM è un meccanismo gestito dal canale che può suddividere lo spettro disponibile in sotto spettri per la trasmissione dati. Il beneficio chiave di OFDM è la trasmissione multi-path. Non dobbiamo aspettare che si cancelli una particolare linea perché abbiamo più linee dalle quali possiamo scegliere di inviare il dato. L’efficienza di OFDM è il motivo per cui è usato come meccanismo di gestione del canale nelle specifiche Wi-Fi 802.11g/n/ac anziché il Direct-Sequence Spread Spectrum (DSSS), usato nella versione 802.11b.

Per visualizzare la differenza tra DSSS e OFDM pensate a una piscina e ai nuotatori il fila per fare le vasche. In DSSS, l’intera piscina è dedicata a un nuotatore e gli altri devono aspettare che la piscina si liberi prima di entrare, laddove OFDM divide la piscina in corsie affinché più nuotatori possano entrare in piscina nello stesso momento. Più linee si creano però, più disturbo potrebbe sentire un nuotatore dagli altri nuotatori vicini. Perciò, tenendo conto del “tuffo iniziale” ogni linea ha zone morte su entrambi i lati per dare al segnale spazio per essere trasmesso senza interferenza dai segnali nelle altre linee. TCC è un algoritmo di gestione degli errori, responsabile per raggiungere la trasmissione massima mentre tiene conto del rumore inerente nel mezzo trasmissivo.

Fig 6 ofdm vs dsss1

Successivamente al PHY c’è il layer Media Access Control (MAC), chiamato nell’OSI Model come Layer 2. È a questo livello che le caratteristiche Quality of Service (QoS) sono gestite tramite Time Division Multiple Access (TDMA) e Collision Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA). Questo layer è inoltre dove il Central Coordinator stabilisce ordine lungo la rete powerline attraverso l’uso di tre regioni di controllo: Beacon, CSMA e Contention-Free.

Per prima cosa il Central Coordinator impone un Beacon Period nel quale trasmette un programma a tutti gli adattatori powerline, istruendo ogni nodo sul periodo di tempo in cui può inviare traffico, che il traffico sia Contention-Free o CSMA. Quando è stabilito il Beacon Period, il Central Coordinator lo sincronizza all’AC Line Cycle, che è quando l’onda della corrente AC è pulsata lungo il filo. Ogni nodo poi indica attraverso la regione Contention-Free i suoi requisiti QoS per rispondere alla domanda di traffico. Se il Central Coordinator può gestire la richiesta, istruisce gli adattatori powerline a scegliere la frequenza di trasmissione. Questa “Tone Map”, insieme a una stima sull’uso del canale, è inviata al Central Coordinator in modo che possa determinare la durata di vita delle connessioni. Quando non è richiesto un bandwidth persistente, forse per i tipi interattivi di traffico – pensate a telnet o ssh – il tempo allocato nel Beacon Period potrebbe essere usato da un adattatore powerline per inviare traffico usando CSMA. Dato che i meccanismi QoS si affidano al timing, quando il Central Coordinator trasmette il pacchetto Beacon, il MAC sincronizza il suo orologio previo controllo del timbro orario.

Ora che abbiamo parlato delle tecniche di gestione delle prestazioni, concentriamoci sulle impostazioni di sincronia e come questi adattatori diventano consapevoli l’uno dell’altro. Sarebbe giusto se ipotizzaste che questo meccanismo debba essere coordinato centralmente.

Quando collegate per la prima volta un adattatore powerline, si mette in ascolto di una rete logicale. Se ne trova una, cerca di unirsi. Altrimenti, stabilisce sé stesso come Central Coordinator e inizia a trasmettere un Beacon. Con l’aggiunta di altri powerline alla rete logica, ogni nodo che sente il Beacon lo aggiunge all’informazione rispettiva in una Discovered Station List. Se un nodo powerline sente l’informazione di un’altra rete logica HomePlug AV, questo aggiunge quell’informazione a una Discovered Networks List. Come fa ogni buon manager il Central Coordinator verifica periodicamente ogni adattatore powerline per riottenere queste liste in modo che possa costruire e aggiornare la topologia della rete.

Ogni Central Coordinator, oltre a tracciare le prestazioni, mantiene potere sulla rete logica HomePlug AV da una posizione di sicurezza attraverso l’uso di una Network Membership Key. Potete impostare più Network Membership Keys su differenti adattatori powerline nel caso vogliate usare il controllo di ammissione per determinare quali adattatori powerline sono in grado di partecipare alle rispettive reti logiche. In teoria, è simile a quando avete segmenti di rete VLAN in uno switch, che separano i packet path in modo logico.

Con l’aggiornamento della topologia nel corso del tempo il Central Coordinator determina se un altro adattatore powerline sarebbe più adatto a prendere il ruolo del Central Coordinator a seconda delle capacità, numero di stazioni scoperte, numero di rete scoperte e cosa più importante, selezione dell’utente.

Nel caso non sia osservata alcuna attività, ad esempio quando i dispositivi collegati sono spenti, il Central Coordinator istruisce i nodi a entrare in modalità di risparmio energetico. Ora proviamo a capire quali incredibili cose HomePlug AV2 ha in serbo per noi!

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Giovane Siciliano di 36 anni appassionato di tecnologia in genere. Nutre una vera e propria passione per lo spazio ed anche per gli smartphone. Grazie a questo nuovo progetto vuole riuscire a portare l’informazione tecnologia ad un nuovo livello. Ora anche gli utenti meno capaci potranno trovare uno spazio in cui gli sarà facile masticare tecnologia.