O Padrão RF Mesh

RF Mesh é um padrão de rede sem fio no qual cada elemento de rede, inclusive os dispositivos terminais é um repetidor em potencial, formando uma rede dinâmica em malha. Dessa forma, cada elemento pode ser acessado diretamente por um Concentrador (AP) ou por outro elemento por meio de um ou vários saltos. A figura 24 ilustra a topologia básica de uma rede RF Mesh.

Figura 24: Topologia básica de rede RF Mesh

O desenvolvimento desse padrão começou em 2008 através dos estudos desenvolvidos por dois grupos de trabalho nos quais participaram Utilities, fornecedores de equipamentos para a

rede elétrica, fornecedores de semicondutores e o IEEE. Dessas parcerias, surgiram os protocolos IEEE 802.15.4g e IEEE 802.15.4e. A definição do protocolo IEEE 802.15.4e como o padrão mais adequado para a camada 2 do Modelo OSI para esta tecnologia foi concluído em abril de 2012 e é a evolução de protocolos preliminares utilizados pelos fabricantes até esta data e que eram identificados como IEEE 802.15.4 MAC, fazendo referência ao nome funcional da camada 2 do modelo OSI “Medium Access Control (MAC)” que surgiu com a finalidade de atender às necessidades de aplicações industriais enquanto a versão final do padrão estava em fase de conclusão. O novo protocolo IEEE 802.15.4e oferece mais segurança, maior confiabilidade, menor consumo de energia e menor latência em comparação com as versões preliminares. A Tabela 12 a seguir apresenta as principais características do padrão RF Mesh [35, 36]. Os dados foram baseados em informações teóricas que foram confirmadas através de medições de campo na rede de RF Mesh atualmente em operação nas distribuidoras do Grupo CPFL Energia.

Características RF Mesh

Topologia Mesh

Faixa de Frequência (Brasil) 902-928 MHz

Taxa de Transmissão de Dados Máxima por Terminal 10-100 Kbps

Latência Média da Rede 700 ms por salto _{(recomendado: até três saltos)} Capacidade Máxima de Agregação por Concentrador 10.000 terminais _{(recomendado: até 4.000)}

Alcance Urbano (sem repetição) 3-5 km

Alcance Rural (sem repetição) 10-15 km

QoS Sim

Padrão aberto ou proprietário? Aberto

Capacidade de atualização OTA Sim

Grau de Maturidade da Tecnologia Smart grid: Estabelecida _{IoT: Em desenvolvimento}

Mobilidade dos terminais Possível com restrições

Georeferenciamento Não é Possível

Quanto à faixa de frequência de operação a banda de 900 MHz é não licenciada na maioria dos mercados, inclusive no Brasil e dispensa a obtenção de uma licença ANATEL para operação. A maior susceptibilidade à interferência a contramedida é a utilização de técnicas avançadas de modulação. Outro aspecto interessante é a área de cobertura. É uma faixa de frequência muito interessante para contornar obstáculos e fornece um compromisso muito conveniente entre potência de transmissão e a largura de banda disponível.

No que diz respeito à latência, as redes RF Mesh dependem do projeto de RF para minimizar os valores médios devido as características da topologia de rede em malha que conta com diversas possibilidades de repetição de um dispositivo terminal em dispositivos vizinhos, e que são determinadas dinamicamente pelo protocolo de roteamento para alcançar o ponto concentrador pode elevar de forma indesejada os valores de latência da rede. Se a topologia Mesh oferece a vantagem de extensão da cobertura criando dinamicamente rotas alternativas por outro lado pode causar aumento de latência na rede. Por este motivo as melhores práticas de projeto de RF em uma rede RF Mesh para redes inteligentes sugerem o dimensionamento de forma que ocorram no máximo até três saltos até o ponto concentrador mais próximo. Para aplicações de medição inteligentes a latência pode não representar um problema, mas pode produzir um impacto indesejável para aplicações DA e até inviabilizar ADA. A fim de superar essa restrição para aplicações DA os fabricantes de rede RF Mesh configuram a plataforma de maneira a definir caminhos fixos para este perfil de tráfego. Em alguns casos são propostos elementos de rede adicionais especificamente projetados para DA e ADA, que são chamados de Bridges, que elevam os custos da infraestrutura de rede.

Quanto à possibilidade de mobilidade dos dispositivos terminais na área de cobertura, a tecnologia RF Mesh permite que seja estabelecida, mantida e encerrada uma conexão a partir de qualquer ponto concentrador da rede. Isto fornece mobilidade em toda área de cobertura, mas com restrições, porque que o conceito de topologia em malha associada às possibilidades de repetição em elementos de rede vizinhos pode aumentar o tráfego de informações de roteamento devido às varias possibilidades de interação entre elementos vizinhos ao longo de um determinado percurso. A utilização de dispositivos em movimento em larga escala em uma área de cobertura RF Mesh pode acarretar a degradação da latência na rede de forma imprevisível afetando inclusive os dispositivos terminais fixos de uma determinada região, na medida em que o elemento de rede móvel se desloca. Este comportamento da tecnologia RF Mesh restringe a sua aplicação para aplicações que requeiram mobilidade, como por exemplo, os projetos de Gestão de Ativos.

RF Mesh é atualmente o principal padrão de tecnologia para redes de comunicação aplicadas a projetos de redes inteligentes de energia elétrica baseados em rádio frequência. Os representantes da indústria de produtos e serviços do setor elétrico e de telecomunicações, além das Utilities, Operadoras de Telecomunicações, institutos de pesquisa e universidades, todas de vários países do mundo se organizam através da entidade intitulada Wi-SUN Alliance, ou “Wireless - Smart Utililities Networks Alliance”.

A Wi-SUN é uma aliança global da indústria que promove soluções baseadas no padrão RF Mesh para Smart Utilities e Internet of Things (IoT). Oficialmente criada em Abril de 2012, conta atualmente com cerca de 100 empresas dos vários segmentos citados anteriormente. A entidade reconhece, incentiva e desenvolve ações voltadas a interoperabilidade como fator essencial para o desenvolvimento do padrão e das iniciativas de redes inteligentes no mundo, e oferece um programa de testes e certificação, de forma a garantir que os produtos fabricados por diferentes empresas sejam interoperáveis. No que diz respeito à segurança, a Wi-SUN Alliance segue as recomendações do National Institute of Standards and Technology (NIST) Norte Americano. A Wi-SUN Alliance fornece três laboratórios para testar e certificar a aderência ao padrão e a interoperabilidade entre os dispositivos de diferentes fornecedores, TELEC, TUV Rheinland e CETECOM. Além desses, testes podem ser feitos no laboratório KEMA.

A Figura 25 apresenta a pilha de protocolos de comunicação do padrão RF Mesh adotado pelo Wi-SUN Alliance. É importante ressaltar que a garantia de interoperabilidade é alcançada pela adoção e implementação em todos os elementos de rede de uma infraestrutura de comunicação que seguem exatamente o que é definido nestes padrões. É importante atentar para a distinção entre Tecnologia Padronizada e Tecnologia “baseada em padrões”. Enquanto que no primeiro caso existe um compromisso, por definição, com a implementação completa e fiel dos padrões, o segundo caso se propõe a implementar uma variação dos padrões originais, o que representa em última análise a adoção de uma solução proprietária sem a possibilidade de interoperar com produtos de outros fabricantes que sigam de fato todo o padrão conforme as especificações técnicas dos órgãos de padronização.

A segurança da rede se baseia nos protocolos EAP-TLS e 802.1x para a autenticação e AES-128 para a encriptação. Em especial, o protocolo IEE 802.15.4e oferece uma alocação de canais de frequência mais eficiente e que podem evitar ataques do tipo “Distributed Denial of Service” (DDoS). Esses itens estão de acordo com a recomendação do NIST para a segurança.

Figura 25: Pilha de protocolos RF Mesh Wi-SUN Alliance

O padrão RF Mesh permite a construção de uma infraestrutura de rede própria, e é perfeitamente aplicável a AMI para Grupo A e B, DA/ADA, e GD. Entretanto apresenta alguns problemas em relação à mobilidade dos terminais, devido ao acréscimo de tráfego de roteamento e, por isso, a utilização para a Gestão de Ativos não é recomendada. O uso para DR e Iluminação Pública é possível, porém pode aumentar a quantidade de terminais por gateway acima da faixa recomendada causando impacto no atendimento às outras aplicações.

Para aplicações em Utilities RF Mesh é uma tecnologia totalmente estabelecida e de eficácia comprovada. A soma do número de pontos servidos pela rede implantada em vários países abrange atualmente mais de 100 milhões de dispositivos terminais, entre medidores inteligentes, atuadores de DR e RAs.