Inteligentní sítě: Koncentrátor dat nebo gateway?
Od vzniku komunikačních sítí bylo nutné volit mezi centralizovaným a decentralizovaným řešením. Neexistují však pouze dvě řešení – je možné zvolit i různé úrovně decentralizace. Jaká úroveň decentralizace je vhodná, závisí na řadě parametrů. Mezi hlavní parametry patří konektivita mezi jednotlivými prvky sítě a jejich výpočetní výkon.
Zařízení a topologie inteligentních sítí
Základním prvkem každé inteligentní sítě je inteligentní měřič. Měřič se nazývá „chytrý“, pokud má komunikační rozhraní, které umožňuje integraci měřiče do inteligentní sítě. Nejběžnější komunikační rozhraní jsou: PLC (power line communication), W-MBus, ZigBee, 6LoWPAN, GPRS atd.
Pomineme-li GPRS, které nevyžaduje bránu ani koncentrátor, lze říci, že zbývající typy komunikace jsou nízkonákladové z hlediska výstavby komunikační sítě, ale vyznačují se nižší spolehlivostí komunikace a relativně nízkou datovou propustností.
Vzhledem k relativně krátké komunikační vzdálenosti většiny sítí používaných pro komunikaci s inteligentními měřiči je nutné zajistit propojení sítě s jinými sítěmi, jako je například internet.
Tuto funkci může zajišťovat gateway nebo datový koncentrátor, který může být umístěn v transformátoru, společných prostorách budovy nebo na jiném místě. Tato zařízení komunikují s hlavním serverem, většinou prostřednictvím mobilních sítí. Příklad topologie inteligentní sítě včetně připojení k hlavnímu serveru je znázorněn na obrázku 1.
Gateway
Nejdůležitější funkcí brány je přenos zpráv z jedné sítě do druhé. Kromě toho může brána spravovat topologii dílčích sítí nebo může integrovat funkce směrovače.
Je nutné poznamenat, že měřiče ve většině případů nepodporují protokoly používané v počítačových sítích, které jsou většinou založeny na webových službách. I když jsou přístroje kompatibilní s protokolem IP, na aplikační vrstvě používají specializované protokoly pro inteligentní sítě, jako jsou DLMS, W MBus atd.
Vzhledem k těmto skutečnostem jsou funkce z koncentrátoru dat stále potřebné, ale je možné je implementovat na straně serveru, kde lze použít vysokoúrovňové programovací jazyky a kde je snazší software udržovat.
Brána s frontou/bez fronty
Kvalitu komunikace ovlivňuje podpora fronty zpráv v bráně. Pokud brána frontu nepodporuje, může být implementována velmi snadno s nízkými nároky na výpočetní výkon, ale s potenciálně špatnými důsledky pro propustnost, chybovost a zpoždění komunikace.
Pokud brána podporuje frontu, měla by také podporovat QoS (kvalitu služeb), která umožňuje určovat priority zpráv pomocí plánovače. Dobrým příkladem takového plánovače je LLQ (low-latency queuing) používaný ve směrovačích Ethernet. Implementace fronty spolu s podporou QoS je však výpočetně náročná.
Způsob výpočtu komunikačních parametrů pro bránu bez fronty a s frontou, pokud je druhá síť typu master-slave (žádost-odpověď), je uveden v tabulce 1. Ve variantě bez fronty je přenosová rychlost [rychlost, kterou se přenáší informace v komunikačním kanálu] vždy menší než přenosová rychlost v obou sítích.
| Brána bez fronty | Brána s frontou / Koncentrátor | |
| Přenosová rychlost (R) | R = ( R1 R2 ) / ( R1 + R2 ) | R = min (R1 , R2 ) |
| Latence | Latence = Latence1 + Latence2 | Latence = Latence2 |
| Poměr chyb (PER) | PER = 1 – (1 – PER1 ) (1 – PER2 ) | PER = ( R – min( R1(1-PER1 ), R2(1-PER2 )) / R |
| Propustnost | L R / ( L + R Latence ) ( 1 – PER ) |
Pokud jsou tyto rychlosti podobné, dochází k výraznému relativnímu poklesu ve srovnání s minimální přenosovou rychlostí. Zpoždění je součtem zpoždění v obou sítích a poměr chyb je vždy větší než poměr chyb v jednotlivých sítích.
K výraznému relativnímu nárůstu chybovosti vůči největší chybovosti dochází, pokud mají sítě podobnou chybovost. V případě bran s frontou je přenosová rychlost omezena pouze přenosovou rychlostí pomalejší sítě.
| GPRS | MT-PLC | |
| Přenosová rychlost (R) | R1 = 3200 B/s | R2 = 1160 B/s |
| Latence | Latence1 = 0,3 s | Latence2 = 0,022 s |
| Poměr chyb (PER) | PER1 = 20 % | PER2 = 30 % |
| Délka rámce | L = 42 B |
Dlouhodobá propustnost sítě je ovlivněna pouze latencí druhé sítě, protože latence první sítě je eliminována frontou. K chybovosti rychlejší sítě dochází pouze tehdy, je-li její propustnost nižší než propustnost pomalejší sítě.
Příklad výpočtu komunikačních parametrů pro GPRS v první síti a MT PLC ve druhé síti je uveden v tabulce 3; parametry GPRS a MT PLC v tabulce 2.
| Bez fronty | S frontou | |
| Přenosová rychlost (R) | R = 851 B/s | R = 1160 B/s |
| Latence | Latence = 0,322 s | Latence = 0,022 s |
| Poměr chyb (PER) | PER = 44 % | PER = 30 % |
| Propustnost | 64 B/s = 0,50 kb/s | 505 B/s = 3,95 kb/s |
Vzhledem k tomu, že přenosová rychlost obou sítí je dosti podobná, latence první sítě je podstatně vyšší, a protože chybovost sítí je také podobná, není překvapivé, že výsledná propustnost brány bez fronty je mnohem nižší než u brány s frontou. V případě kombinace Ethernetu a MT PLC nebude rozdíl tak výrazný.
Tabulka 4 shrnuje výhody a nevýhody gatewaye s frontou a bez fronty.
| Brána bez fronty | Brána s frontou |
| + cena + jednoduchá aktualizace softwaru + snadnější vývoj | + jednoduchá aktualizace softwaru + snadnější vývoj |
| – nízká propustnost sítě – komplexní software na straně serveru – větší tok dat mezi bránou a serverem. | – složitý software na straně serveru – větší tok dat mezi bránou a serverem. – server musí spravovat používání fronty brány. |
Koncentrátor dat
Koncentrátor dat je dalším vývojovým stupněm brány s frontou. Vzhledem k tomu, že brána s frontou vyžaduje větší výpočetní výkon, existuje možnost mírně zvýšit výkon a přidat další funkce. Aktuální výhody a nevýhody koncentrátoru dat jsou uvedeny v tabulce 5.
Automatické vytváření rutinních úloh – většinu zpráv v inteligentních sítích tvoří periodické odečty profilů s naměřenými daty a asynchronní protokoly a nic nebrání tomu, aby koncentrátor tyto zprávy vytvářel sám. Tím se ušetří značná část komunikace mezi serverem a koncentrátorem a server nemusí tyto úlohy plánovat.
Spojování odpovědí do větších celků – Vzhledem k tomu, že pakety v síti mezi koncentrátorem a serverem mohou být ve většině případů podstatně větší než velikost paketů v síti měřičů, je vhodné přenášet více odpovědí z měřičů na server v jedné zprávě. Navíc je možné použít kompresi dat. Stejně jako dříve se tím ušetří značné množství dat přenášených mezi koncentrátorem a serverem.
| KONCENTRÁTOR DAT |
| + nižší tok dat mezi koncentrátorem dat a serverem + vývoj jednoduchých aplikací na straně serveru + rychlejší reakce na události v inteligentních sítích |
| – cena – komplexní vývoj a údržba FW |
Překlad protokolů – Pro aplikace na straně serveru je obtížné implementovat specializované protokoly, jako je DLMS, W-MBus atd., které se používají v inteligentních sítích. Je tedy výhodou, pokud koncentrátor komunikuje se serverem protokolem nezávislým na protokolu používaném v síti měřičů. Tento protokol lze navíc optimalizovat a může poskytovat větší pohodlí při jeho zpracování ve vysokoúrovňových programovacích jazycích.
Analýza dat, filtrování událostí – Koncentrátor nemusí pouze předávat data z měřičů na server. Koncentrátor může tato data analyzovat, filtrovat nebo provádět další zpracování. To může vést k výrazným úsporám v komunikaci mezi koncentrátorem a serverem a také výrazně urychluje reakci na určité stavy sítě.
Závěr: Jaké je dokonalé řešení?
Brána bez fronty může být nákladově efektivnějším řešením, pokud má síť mezi serverem a bránou nízkou latenci a vysokou propustnost s minimální chybovostí ve srovnání se sítí měřiče.
Vzhledem k tomu, že velká část řešení v praxi využívá sítě s vyšší latencí a chybovostí a nižší propustností, je použití brány bez fronty v těchto případech nevhodné a mohlo by způsobit výrazné snížení propustnosti dat ve srovnání se zařízeními s frontou.
V těchto případech je nutné použít alespoň bránu s frontou nebo použít datový koncentrátor, který může ušetřit náklady na vývoj serverových aplikací a přenos dat mezi koncentrátorem a serverem.
Koncentrátor může také zlepšit reakci na události v inteligentní síti a obecně zajistit větší komfort při používání a obsluze zařízení. Pokud má zařízení frontu, je velmi důležité také uspořádání plánovače fronty zajišťující QoS.