La rete 5G rappresenta il percorso evolutivo delle reti di telecomunicazione, dove più che offrire una nuova versione delle reti precedenti, si promuove la flessibilità verso differenti tipologie di comunicazione a seconda dei vari casi d’uso. Questa visione prevede da un lato la definizione di un sistema in grado di migliorare significativamente le prestazioni della rete in termini di capacità, bit rate, latenza rispetto alle soluzioni attualmente in uso; dall’altro di offrire, con il concomitante sviluppo delle comunicazioni M2M (Machine2Machine), connettività e prestazioni per diversi scenari, in modo da soddisfare più tipologie di traffico richieste dalle applicazioni emergenti, basate sull’IoT (Internet of Things).
Nuove applicazioni verticali: settore energia
L’introduzione del 5G porterà quindi alla definizione di nuove applicazioni, ancora non attuabili con le reti oggi a disposizione, in diversi settori “verticali” primo fra tutti il settore energetico. Nello specifico, le reti elettriche di futura generazione dovranno essere in grado di supportare l’introduzione di fonti rinnovabili, per loro natura intermittenti, senza compromettere la stabilità complessiva, abilitare la comunicazione bidirezionale tra la rete e l’utente che non è più visto come un elemento passivo (consumer) ma come elemento attivo e in grado di produrre energia (prosumer).
La rete dovrà inoltre rendere disponibili gli elementi funzionali e di controllo al fine di consentire un monitoraggio affidabile delle grandezze in gioco.
Attualmente il sistema di controllo delle reti energetiche è basato sul monitoraggio delle sottostazioni (o cabine secondarie tra la linea di media e la linea di bassa tensione), senza la necessità di avere in tempo reale il feedback da parte dell’ultimo miglio ossia delle informazioni dei consumatori.
Poiché il numero delle sorgenti diffuse è destinato ad aumentare, è necessario avere anche questi dati in tempo “quasi reale”, col fine di disporre di una stima dello stato delle rete e avere la capacità di prevedere i comportamenti di produzione/consumo per garantirne le stabilità.
Contatore di nuova generazione
E’ in questo ambito che viene ad esempio introdotto il contatore di nuova generazione (Del 87/2016 Autorità per l’energia elettrica, il gas e il sistema idrico); tale elemento sarà in grado di fornire, oltre ai dati dei consumi con frequenze più elevate rispetto alle attuali, anche dei parametri aggiuntivi che diano indicazioni sulla qualità della potenza misurata proponendo così soluzioni personalizzate e più rispondenti alle esigenze di ciascun consumatore.
La rete 5G sarà quindi in grado di offrire connessioni efficienti ed affidabili attraverso soluzioni che ad oggi non sono disponibili, realizzando un monitoraggio della rete come proposto in Fig.1.
Fig.1: Applicazioni Energetiche del prossimo futuro. Fonte: Courtesy of Florida Power & Light Company
Smart Grid e Smart Meter
Le applicazioni che più risentiranno di tale evoluzione possono dividersi in due tipologie: da un lato quelle più prettamente legate alla gestione e controllo della rete (Smart Grid Application) e dall’altro quelle più legate all’automazione e acquisizione dei dati dell’utente (Smart Meter Application). Le prime richiederanno requisiti più assimilabili ad applicazioni IoT Mission-Critical (e.g. requisito stringente di latenza) le altre più ad applicazioni IoT Massive (e.g. requisito stringente di capacità). La rete 5G sarà in grado di soddisfare i requisiti di entrambe le tipologie, grazie alle definizione di caratteristiche concomitanti, quali:
- Latenza: la rete 5G sarà sviluppata in modo da essere orienta ad applicazioni mission-critical, pertanto consentirà di avere ritardi di trasmissione molto bassi in termini di minima latenza garantita (al di sotto dei 5ms per il 99,99%), e sarà dunque in grado di rispondere alle esigenze delle applicazioni quasi real-time tipiche delle funzionalità di gestione e protezione della rete elettrica.
- Copertura & Capacità: possibilità di gestire una notevole quantità di dati e un numero elevato di connessioni in base alla densità delle unità abitative in cui la rete si troverà ad operare per promuovere i nuovi servizi di metering (copertura del 99,9% in ogni ambiente di propagazione).
- Sicurezza: la rete elettrica rappresenta un’infrastruttura critica. Le reti di comunicazione necessarie per il corretto funzionamento e per la gestione dei componenti della rete, quali ad esempio le sotto-stazioni di media e bassa tensione che richiedono un livello di sicurezza più alto rispetto a quanto richiesto per il traffico d’utente privato, andranno adeguate opportunamente rispetto ai nuovi requisiti di attendibilità ed integrità delle informazioni trasportate. La rete 5G prevede di essere una soluzione in grado di soddisfare i nuovi standard di sicurezza.
- Resilienza: Aspetto fondamentale per effettuare applicazioni di monitoraggio e controllo è l’affidabilità della rete di comunicazione, intendendo con questo la capacità di operare senza interruzioni anche in caso di outage della rete elettrica. La rete 5G sarà sviluppata in modo da fornire alta affidabilità dei collegamenti, garantendo, in situazione di outage, il soddisfacimento di requisiti stringenti, definizione di SLA (Service Level Agreement) ad hoc, che difficilmente sono raggiungili con le tecnologie radio attualmente in uso.
- Longevità della tecnologia & Stabilità dei Costi: Le applicazioni per Smart Grid o per Smart Metering sono installate per periodi tipicamente più lunghi dei 15 anni. Le soluzioni di comunicazione dovranno pertanto essere garantite per un periodo temporale molto ampio, anche in considerazione del fatto che cambiare in corso d’opera le soluzioni tlc in campo, specie se i dispositivi sono tanti e distribuiti, potrebbe generare costi potenzialmente superiori al roll-out di una rete completamente nuova. La rete 5G si candida ad essere la scelta tecnologica del prossimo futuro e verrà implementata in modo da ridurre i costi di connessione soprattutto per applicazioni IoT.
Standard e interoperabilità
In tale direzione enti standardizzatori quali CEN, (European Committee for Standardization), CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization) e ETSI (European Telecommunications Standards Institute), stanno lavorando per l’interoperabilità dei dispositivi ed il miglioramento degli standard con lo scopo di offrire soluzioni, in ambito 5G, tali da soddisfare i requisiti dei vari vertical coinvolti.
In particolare, per i requisiti di latenza, affidabilità e disponibilità richiesti dal settore energetico si stanno valutando soluzioni tecnologiche per rispondere alle esigenze sia delle applicazioni critiche che di quelle massive. Per soddisfare i requisiti di alta affidabilità e bassa latenza caratteristici delle applicazioni critiche, sono stati proposti nuovi paradigmi di rete quali ad esempio il network slice (i.e., collezione di funzioni logiche di rete interconnesse) e il mobile edge computing (i.e., elaborazioni distribuite e capacità di memorizzazione). Lo scopo dei nuovi paradigmi è quello di facilitare l’armonizzazione della trasmissione di elevate quantità di dati distribuiti e la conseguente capacità di elaborazione in modo più efficiente.
Integrazione di reti eterogenee
Per le applicazioni massive, come ad esempio gli smart meter, si sta invece valutando quali frequenze trasmissive adoperare per ottenere al tempo stesso un adeguato livello di copertura e di capacità trasmissiva. Gli smart meter infatti si trovano in ambienti tipicamente “sfortunati” dal punto di vista della propagazione radio, come ad esempio i sottoscala dei condomini, e al tempo stesso la loro numerosità pone dei vincoli sul dimensionamento della rete. La disponibilità di fibra potrebbe risolvere il problema, tuttavia dal punto di vista costi benefici, una corretta integrazione tra reti fisse e mobili potrebbe risolvere efficientemente il problema della copertura e della capacità. La soluzione 5G, oltre che funzionale agli smart meter e più in generale alle applicazioni massive, incarna tra le proprie caratteristiche peculiari l’integrazione di reti eterogenee (Fig2).
Fig2: Esempio di rete di comunicazioni per applicazioni Smart Grid. Fonte: Tantalus – “Tunet platform for Smart Grid Applications”
In definitiva, la rete 5G permetterà di realizzare i cosiddetti Smart Energy Services di prossimo futuro e al tempo stesso, grazie alla connessione offerta insieme alla capacità di acquisizione di dati eterogenei in tempo reale, di promuovere soluzioni per il monitoraggio di informazioni provenienti anche da altre utilities (gas, acqua) avviando un processo più ampio di digitalizzazione dei consumi in ottica Smart Cities.