Appunti riassuntivi Design of ict systems for business management and production

1. How to design a TLC system

1.2 Introduzione

L’Industria 4.0 si basa sull’integrazione di Cyber-Physical Systems (CPS), ovvero sistemi in

cui l’elaborazione computazionale è strettamente integrata con i processi fisici. I CPS sono

costituiti da computer e reti embedded che monitorano e controllano i processi fisici

attraverso cicli di feedback. In questi sistemi, i processi fisici influenzano le elaborazioni

digitali e, viceversa, le elaborazioni digitali modificano il comportamento dei processi fisici,

consentendo un adattamento continuo e in tempo reale. Questa integrazione è resa possibile

dalla presenza di sensori, attuatori, sistemi di comunicazione e capacità di elaborazione

distribuite.

L’Industria 5.0 rappresenta la fase successiva dello sviluppo industriale e introduce un

approccio human-centric. Essa mira a combinare i vantaggi delle tecnologie avanzate —

come intelligenza artificiale, robotica, IoT e big data — con la creatività, le competenze e i

valori umani. Per questo motivo è definita anche Collaborative Industry, in quanto enfatizza

la cooperazione tra esseri umani e macchine nel processo produttivo. L’Industria 5.0 pone

inoltre particolare attenzione alla sostenibilità, al benessere dei lavoratori e alla

personalizzazione dei prodotti, andando oltre la sola ottimizzazione dell’eJicienza produttiva.

1.2 TLC – Telecommunication system

I sistemi di telecomunicazione (TLC) consentono la trasmissione e la ricezione di

informazioni su lunghe distanze mediante l’impiego di diverse tecnologie e componenti

hardware e software. Il loro obiettivo principale è facilitare lo scambio di informazioni tra

dispositivi, macchine e individui, permettendo la comunicazione di dati, segnali di controllo,

voce e contenuti multimediali in modo aJidabile ed eJiciente.

Nel contesto industriale, i sistemi TLC sono utilizzati per numerose applicazioni, tra cui il

controllo e l’automazione dei processi, il monitoraggio e la manutenzione degli impianti,

la raccolta e l’analisi dei dati, la connettività wireless, il controllo di qualità e la gestione

della catena di fornitura. Essi permettono inoltre di ottenere e inviare informazioni

attraverso sensori e attuatori e di localizzare o navigare macchine, veicoli e risorse

all’interno di ambienti industriali.

La progettazione di un sistema TLC segue un processo strutturato che comprende:

- l’analisi dei requisiti degli utenti e degli obiettivi aziendali;

- la valutazione delle caratteristiche dell’ambiente industriale;

- la conduzione di uno studio di fattibilità (tecnica, economica, operativa e normativa);

la definizione dei Key Performance Indicators (KPI);

- la scelta dei componenti del sistema;

- la definizione dei componenti di rete;

- la selezione delle tecnologie di comunicazione;

- la valutazione dei costi complessivi.

Oggi, un sistema TLC in ambito industriale è fondamentale per fornire connettività alle

macchine e ai lavoratori, per scambiare informazioni tramite sensori e attuatori e per

supportare funzioni di localizzazione e navigazione in ambienti produttivi complessi.

Nella progettazione di un sistema di telecomunicazione devono essere considerati diversi

fattori chiave. Tra questi rientrano i requisiti degli utenti, come scalabilità, aJidabilità e

disponibilità del sistema, nonché la topologia di rete. È inoltre necessario valutare i mezzi di

trasmissione e i requisiti di sicurezza, garantire l’interoperabilità tra componenti eterogenei

e tenere conto delle prestazioni, dell’eJicacia dei costi, della conformità normativa e della

capacità del sistema di essere future-proof, ossia adattabile a evoluzioni tecnologiche

future.

1.3 Studio di fattibilità

Lo studio di fattibilità è una fase fondamentale nella progettazione di un sistema di

telecomunicazione (TLC), in quanto consente di valutare la fattibilità complessiva del

progetto prima di procedere con l’implementazione. Il suo scopo è identificare eventuali

ostacoli tecnici, economici, operativi o normativi e garantire che la progettazione del sistema

sia coerente con gli obiettivi aziendali e con il contesto industriale di riferimento.

In particolare, lo studio di fattibilità risponde alle seguenti domande:

1- Il sistema TLC può essere implementato nello specifico ambiente industriale e

consentire il raggiungimento degli obiettivi prefissati?

2- Quali sono i requisiti tecnici, operativi e prestazionali del sistema?

3- Quali sono le principali sfide e criticità da aJrontare durante l’implementazione?

4- Quali prestazioni può realisticamente garantire il sistema in termini di aJidabilità,

latenza, capacità e qualità del servizio?

Lo studio di fattibilità consente quindi di prendere decisioni informate, riducendo i rischi e

aumentando la probabilità di successo del progetto.

Tipologie di studio di fattibilità

Lo studio di fattibilità si articola in quattro principali tipologie.

- Fattibilità tecnica: valuta se le tecnologie e le infrastrutture necessarie sono

disponibili o implementabili nel contesto considerato. Include l’analisi della

disponibilità di hardware, software, mezzi di trasmissione e componenti di rete,

nonché la verifica delle prestazioni tecniche richieste.

- Fattibilità economica: analizza i costi associati alla progettazione,

all’implementazione e alla manutenzione del sistema TLC. Considera sia le spese in

conto capitale (CAPEX), legate all’acquisto e all’installazione delle tecnologie, sia le

spese operative (OPEX), come manutenzione e gestione. In questa fase si valuta anche

il Return on Investment (ROI) per determinare la convenienza economica del

progetto.

- Fattibilità operativa: valuta il grado di integrazione del sistema TLC con i flussi di

lavoro e i processi operativi esistenti. Analizza l’impatto sull’organizzazione, i requisiti

di formazione del personale, le possibili interruzioni operative durante

l’implementazione e i rischi connessi, individuando gli adattamenti necessari per

garantire la continuità e la fluidità delle operazioni.

- Fattibilità legale e regolamentare: verifica la conformità del progetto alle leggi

vigenti, ai regolamenti, agli standard di settore e alle licenze richieste. Questa analisi

consente di individuare eventuali vincoli normativi e di garantire che il sistema TLC

rispetti pienamente i requisiti legali e regolamentari.

2. Cos’è un sistema TLC?

Un sistema di telecomunicazione (TLC) è un insieme di componenti hardware e software

che consente la trasmissione, la ricezione, l’elaborazione e lo scambio di informazioni tra

diversi dispositivi o utenti, anche su lunghe distanze, utilizzando opportuni mezzi di

comunicazione.

2.1 architettura del sistema di telecomunicazioni

L’architettura di un sistema TLC è composta da diversi elementi fondamentali:

- Trasmettitori: dispositivi che convertono le informazioni in segnali adatti alla

trasmissione. Essi acquisiscono i dati, li modulano e li trasmettono su un canale di

comunicazione. Esempi di trasmettitori sono microfoni, telecamere, modem e sensori.

- Canali di comunicazione: rappresentano i percorsi attraverso i quali viaggiano i

segnali. Possono essere realizzati tramite mezzi fisici, come cavi in rame o fibre

ottiche, oppure tramite mezzi wireless, come frequenze radio.

- Ricevitori: dispositivi che ricevono i segnali trasmessi e li riconvertono in informazioni

utilizzabili. Ne sono esempi altoparlanti, schermi, router e terminali di rete.

- Protocolli: insiemi di regole e standard che disciplinano la trasmissione, la

formattazione e l’interpretazione dei dati all’interno del sistema di telecomunicazione,

garantendo comunicazioni corrette e interoperabili.

- Infrastruttura di rete: fornisce la struttura fisica e logica necessaria al funzionamento

del sistema TLC. Include dispositivi come router, switch, access point e server, che

gestiscono instradamento, connessione e controllo del traJico.

- Archiviazione ed elaborazione dei dati: comprende i componenti dedicati alla

memorizzazione, al recupero e all’elaborazione delle informazioni trasmesse, come

server, database e sistemi di calcolo locali o basati su cloud.

2.2 Trasmettitore

Il trasmettitore è un dispositivo che converte le informazioni in segnali adatti alla

trasmissione all’interno di un sistema di telecomunicazione. Esso ha il compito di generare il

segnale informativo, adattarlo al mezzo di trasmissione attraverso opportuni processi di

modulazione e inviarlo su un canale di comunicazione. Esempi di trasmettitori includono

microfoni, telecamere, modem e sensori.

Un trasmettitore è generalmente costituito dai seguenti componenti principali:

Dispositivo di input (sorgente / trasduttore / sensore): rappresenta la fonte delle

• informazioni da trasmettere. Può generare un segnale di natura analogica o digitale a

partire da una grandezza fisica (ad esempio suono, immagine, temperatura).

Modulatore: è il componente che sovrappone l’informazione a una portante,

• adattando il segnale alle caratteristiche del canale di trasmissione. La modulazione

consente il trasporto eJiciente del segnale su lunghe distanze e la condivisione del

mezzo di comunicazione con altri segnali.

Amplificatore: ha il compito di aumentare la potenza o l’intensità del segnale

• modulato, rendendolo suJicientemente robusto per la trasmissione sul canale e per

compensare le perdite introdotte dal mezzo di trasmissione.

Antenna: è il componente che converte il segnale elettrico in onde

• elettromagnetiche che possono propagarsi nell’aria o nello spazio, nei sistemi

wireless. Nei sistemi cablati, il ruolo dell’antenna è svolto dal collegamento fisico al

mezzo trasmissivo.

2.3 Canale (mezzo di trasmissione)

Il canale, o mezzo di trasmissione, è il percorso attraverso il quale il segnale viene trasferito

dal trasmettitore al ricevitore in un sistema di telecomunicazione. Esso può essere realizzato

tramite mezzi fisici, come cavi in rame o fibre ottiche, oppure tramite mezzi wireless, come le

onde radio.

Un canale può essere classificato in diversi modi: può essere fisico o logico, cablato o

wireless, analogico o digitale, nonché semplice o complesso in funzione del contesto

applicativo e delle tecnologie impiegate.

Ogni canale è caratterizzato da specifiche proprietà, tra cui la capacità, la larghezza di

banda, la presenza di rumore, interferenze e distorsioni. Queste caratteristiche influenzano

in modo diretto la qualità, l’aQidabilità e le prestazioni complessive del sistema di

comunicazione, determinando parametri fondamentali come velocità di trasmissione,

latenza e probabilità di errore.

2.4 Ricevitore

Il ricevitore è il dispositivo che ha il compito di ricevere i segnali trasmessi attraverso il

canale di comunicazione e riconvertirli in informazioni utilizzabili. Esempi di ricevitori sono

altoparlanti, schermi, modem, router e dispositivi di controllo industriale.

Un ricevitore è generalmente costituito dai seguenti componenti principali:

Antenna: è il componente che cattura il segnale proveniente dal canale o dal mezzo di

• trasmissione. L’antenna può avere forme, dimensioni e orientamenti diJerenti in

funzione del tipo di sistema TLC e della frequenza del segnale. Nei sistemi cablati, il

ruolo dell’antenna è svolto dal collegamento fisico al mezzo trasmissivo.

Demodulatore: è il componente che estrae l’informazione utile dal segnale ricevuto,

• separandola dalla portante. La demodulazione può avvenire attraverso diverse

tecniche, come la demodulazione di ampiezza (AM), di frequenza (FM), di fase (PM) o

tecniche digitali più avanzate, a seconda del tipo di segnale trasmesso.

Dispositivo di output: rappresenta la destinazione finale delle informazioni ricevute.

• Può trattarsi di dispositivi di visualizzazione o riproduzione, come altoparlanti e

monitor, oppure di elementi di controllo come stampanti, attuatori o sistemi di

elaborazione dati.

2.5 Tipologie di servizi nei sistemi TLC

I sistemi di telecomunicazione supportano diverse tipologie di servizi, in funzione del tipo di

informazione trasmessa e dell’applicazione di riferimento.

Comunicazione vocale: consente la trasmissione di segnali vocali in tempo reale,

• utilizzando tecnologie come telefoni fissi, Voice over IP (VoIP) e reti mobili.

Comunicazione dei dati: permette il trasferimento di dati digitali, includendo servizi

• come messaggistica testuale, posta elettronica, condivisione di file e navigazione su

Internet.

Comunicazione video: supporta la trasmissione di contenuti video in tempo reale o

• diJerita, come videochiamate, videoconferenze e servizi di streaming video.

Connettività IoT: abilita la comunicazione tra dispositivi e sensori all’interno

• dell’ecosistema Internet of Things (IoT), permettendo lo scambio continuo di dati tra

oggetti fisici, sistemi di controllo e piattaforme di elaborazione.

2.6 Tipi di mezzo nei sistemi TLC

Nei sistemi di telecomunicazione, il mezzo di trasmissione rappresenta il supporto

attraverso il quale i segnali viaggiano dal trasmettitore al ricevitore. In base alla tecnologia

utilizzata, è possibile distinguere tre principali tipologie di rete.

Reti cablate: utilizzano supporti fisici, come cavi in rame o fibre ottiche, per la

• trasmissione dei segnali. Esempi di reti cablate includono le reti telefoniche fisse e le

reti Ethernet, caratterizzate da elevata aJidabilità e stabilità del collegamento.

Reti wireless: impiegano onde elettromagnetiche e frequenze radio per trasmettere i

• segnali via etere, senza l’uso di collegamenti fisici. Ne sono esempi le reti mobili, le reti

Wi-Fi e le comunicazioni satellitari, che oJrono maggiore flessibilità e mobilità.

Reti ibride: combinano componenti cablate e wireless al fine di sfruttare i vantaggi di

• entrambe le soluzioni. Esempi tipici sono le reti cellulari e le reti ibride fibra-coassiale,

utilizzate per garantire elevate prestazioni e ampia copertura.

Tecnologie cablate

Le reti cablate utilizzano cavi fisici per trasmettere segnali e dati, garantendo un’elevata

qualità del servizio e una buona immunità alle interferenze esterne.

Collegamento Ethernet: Ethernet è la tecnologia di rete cablata più diJusa per le reti

• locali (LAN). Essa utilizza principalmente cavi a doppino intrecciato o fibre ottiche per

collegare dispositivi all’interno di un’area geografica limitata, come edifici o campus

industriali. Le reti Ethernet supportano diverse velocità di trasmissione, tra cui 10

Mbps (Ethernet), 100 Mbps (Fast Ethernet), 1 Gbps (Gigabit Ethernet), 10 Gbps (10

Gigabit Ethernet) e valori ancora superiori negli standard più recenti. Ethernet è

standardizzata dallo IEEE 802.3 e utilizza protocolli di livello superiore, come TCP/IP,

per la trasmissione dei dati.

Reti in fibra ottica: le reti in fibra ottica impiegano fibre di vetro o plastica per

• trasmettere dati sotto forma di impulsi luminosi. Queste reti oJrono elevata larghezza

di banda, capacità di trasmissione su lunghe distanze e resistenza alle

interferenze elettromagnetiche. Per tali motivi, sono ampiamente utilizzate nelle

connessioni a lunga distanza, nei backbone di Internet ad alta velocità e nei data

center per l’interconnessione di sistemi ad alte prestazioni.

2.7 Componenti di un TLC

Un sistema di telecomunicazione è costituito da un insieme di componenti fondamentali che

cooperano per garantire la trasmissione eJicace delle informazioni:

Trasmettitore: converte le informazioni in segnali adatti alla trasmissione e li invia

• attraverso il canale di comunicazione.

Ricevitore: riceve i segnali trasmessi e li riconverte in informazioni utilizzabili.

• Canale: rappresenta il percorso fisico o logico attraverso il quale viaggiano i segnali

• all’interno del sistema TLC.

Protocolli: insiemi di regole e standard che disciplinano la trasmissione, la

• formattazione e l’interpretazione dei dati, garantendo comunicazioni corrette e

interoperabili.

Infrastruttura di rete: fornisce il framework fisico e logico necessario al

• funzionamento del sistema di telecomunicazione.

Componenti di archiviazione ed elaborazione dei dati: gestiscono la

• memorizzazione, il recupero e l’elaborazione delle informazioni scambiate nel sistema

TLC.

3. Cos’è un sistema TLC?

Un sistema di telecomunicazione (TLC) è un sistema che permette la trasmissione, la

ricezione e l’elaborazione di informazioni attraverso un canale di comunicazione. Per

funzionare correttamente, un sistema TLC si basa su specifiche tecniche di modulazione,

multiplexing e codifica, che consentono di trasportare l’informazione in modo eJiciente e

aJidabile.

3.1 Tecniche di modulazione / codifica / multiplex

Tecniche di modulazione per segnali analogici e digitali:

• le tecniche di modulazione consentono di codificare l’informazione su un segnale

portante, modificandone una o più caratteristiche (ampiezza, frequenza o fase). In

questo modo è possibile trasportare dati analogici o digitali su un canale di

comunicazione, adattando il segnale alle proprietà fisiche del mezzo trasmissivo.

Tecniche di multiplexing:

• il multiplexing permette di combinare più segnali o flussi di dati su un unico canale

di comunicazione, aumentando l’eJicienza nell’utilizzo delle risorse disponibili.

Esempi comuni sono il Time Division Multiplexing (TDM) e il Frequency Division

Multiplexing (FDM).

Codifica di canale e meccanismi di controllo degli errori:

• la codifica di canale e i meccanismi di controllo degli errori sono componenti

fondamentali dei sistemi TLC, in quanto con