Redes inteligentes: ¿Concentrador de datos o pasarela?
Desde el establecimiento de las redes de comunicación, ha sido necesario elegir entre soluciones centralizadas y descentralizadas. Sin embargo, no sólo hay dos soluciones: también es posible elegir distintos niveles de descentralización. El nivel de descentralización adecuado depende de una serie de parámetros. Los principales son la conectividad entre los distintos elementos de la red y su potencia informática.
Dispositivos y topología de las redes inteligentes
El elemento fundamental de cualquier red inteligente es un contador inteligente. El contador se denomina «inteligente» si dispone de una interfaz de comunicación que permite su integración en la red inteligente. Las interfaces de comunicación más comunes son: PLC (power line communication), W-MBus, ZigBee, 6LoWPAN, GPRS, etc.
Dejando a un lado el GPRS, que no requiere pasarela ni concentrador, puede decirse que los restantes tipos de comunicación son de bajo coste en términos de construcción de la red de comunicación, pero se caracterizan por una menor fiabilidad de la comunicación y un caudal de datos relativamente bajo.
Debido a la distancia de comunicación relativamente corta de la mayoría de las redes utilizadas para la comunicación de contadores inteligentes, es necesario garantizar la conectividad de la red con otras redes como Internet.
Esa funcionalidad puede ser proporcionada por una pasarela o concentrador de datos, que puede estar situado en un transformador, en las zonas comunes del edificio o en otro lugar. Estos dispositivos se comunican con un servidor de cabecera, principalmente a través de redes móviles. En la figura 1 se muestra un ejemplo de topología de red inteligente que incluye la conexión con el servidor de cabecera.
Pasarela
La función más importante de una pasarela es transmitir mensajes de una red a otra. Además, la pasarela puede gestionar la topología de subredes o integrar funciones de enrutador.
Hay que tener en cuenta que los contadores, en la mayoría de los casos, no son compatibles con los protocolos utilizados en las redes informáticas, que en su mayoría se basan en servicios web. Incluso cuando los dispositivos son compatibles con el protocolo IP, en la capa de aplicación utilizan protocolos especializados para redes inteligentes como DLMS, W MBus, etc.
Debido a estos hechos, las funcionalidades del concentrador de datos siguen siendo necesarias, pero es posible implementarlas en el lado del servidor, donde se pueden utilizar lenguajes de programación de alto nivel y es más fácil mantener el software.
Pasarela con/sin cola
La calidad de la comunicación depende de la cola de mensajes de la pasarela. Si la pasarela no admite colas, puede implementarse muy fácilmente con poca demanda de potencia informática, pero con consecuencias potencialmente negativas para el rendimiento, la tasa de errores y la latencia de la comunicación.
Si la pasarela admite colas, también debe admitir QoS (calidad de servicio), que permite priorizar los mensajes mediante un planificador. Un buen ejemplo de este tipo de planificador es LLQ (colas de baja latencia), utilizado en los routers Ethernet. Sin embargo, la implementación de la cola junto con el soporte de QoS es exigente desde el punto de vista computacional.
En la Tabla 1 se puede ver una forma de calcular los parámetros de comunicación para la pasarela sin cola y con cola si la segunda red es del tipo maestro-esclavo (petición-respuesta). En la variante sin cola, la velocidad en baudios [velocidad a la que se transfiere la información en un canal de comunicación] es siempre inferior a la velocidad en baudios en ambas redes.
| Pasarela sin cola | Pasarela con cola / Concentrador | |
| Velocidad en baudios (R) | R = ( R1 R2 ) / ( R1 + R2 ) | R = min (R1 , R2 ) |
| Latencia | Latencia = Latencia1 + Latencia2 | Latencia = Latencia2 |
| Ratio de error (PER) | PER = 1 – (1 – PER1 ) (1 – PER2 ) | PER = ( R – min( R1(1-PER1 ), R2(1-PER2 )) / R |
| Rendimiento | L R / ( L + R Latencia ) ( 1 – PER ) |
Se produce una disminución relativa significativa en comparación con la velocidad mínima en baudios si estas velocidades son similares. La latencia es la suma de las latencias en ambas redes, y la relación de errores es siempre mayor que la relación de errores en las redes individuales.
Se produce un aumento relativo significativo de la tasa de errores respecto a la mayor tasa de errores si las redes tienen una tasa de errores similar. En el caso de pasarelas con cola, la tasa de baudios sólo está limitada por la tasa de baudios de la red más lenta.
| GPRS | MT-PLC | |
| Velocidad en baudios (R) | R1 = 3200 B/s | R2 = 1160 B/s |
| Latencia | Latencia1 = 0,3 s | Latencia2 = 0,022 s |
| Ratio de error (PER) | PER1 = 20 % | PER2 = 30 % |
| Longitud del bastidor | L = 42 B |
El rendimiento de la red a largo plazo sólo se ve afectado por la latencia de la segunda red, ya que la latencia de la primera es eliminada por la cola. La proporción de errores de la red más rápida sólo se produce si su caudal es inferior al caudal de la red más lenta.
Los ejemplos de cálculo de los parámetros de comunicación para GPRS en la primera red y MT PLC en la segunda red se muestran en la Tabla 3; los parámetros de GPRS y MT PLC en la Tabla 2.
| Sin cola | Con cola | |
| Velocidad en baudios (R) | R = 851 B/s | R = 1160 B/s |
| Latencia | Latencia = 0,322 s | Latencia = 0,022 s |
| Ratio de error (PER) | PER = 44 % | PER = 30 % |
| Rendimiento | 64 B/s = 0,50 kb/s | 505 B/s = 3,95 kb/s |
Debido a que la velocidad en baudios de ambas redes es bastante similar, la latencia de la primera es considerablemente mayor, y como los ratios de error de las redes también son similares, no es de extrañar que el rendimiento resultante para la pasarela sin cola sea mucho menor que el de la pasarela con cola. En el caso de una combinación de Ethernet y MT PLC, la diferencia no será tan significativa.
El cuadro 4 resume las ventajas e inconvenientes de las pasarelas con cola y sin cola.
| Pasarela sin cola | Pasarela con cola |
| + precio + simple actualización del software + desarrollo más fácil | + simple actualización del software + desarrollo más fácil |
| – bajo rendimiento de la red – software complejo en el servidor – mayor flujo de datos entre la pasarela y el servidor | – software complejo en el servidor – mayor flujo de datos entre la pasarela y el servidor – tiene que gestionar el uso de la cola de la pasarela |
Concentrador de datos
Un concentrador de datos es otra fase de desarrollo de la pasarela con cola. Dado que la pasarela con cola requiere más potencia de cálculo, existe la posibilidad de aumentar ligeramente el rendimiento y añadir más funcionalidades. Las ventajas y desventajas reales de un concentrador de datos se muestran en la Tabla 5.
Creación automática de tareas rutinarias – La mayoría de los mensajes en las redes inteligentes son lecturas periódicas de perfiles con datos medidos y registros asíncronos, y nada impide que el concentrador cree estos mensajes por sí mismo. Esto ahorra una parte considerable de la comunicación entre el servidor y el concentrador, y el servidor no tiene que programar estas tareas.
Unir respuestas en unidades mayores – Dado que los paquetes de la red entre el concentrador y el servidor pueden ser en la mayoría de los casos sustancialmente mayores que el tamaño de los paquetes de la red de contadores, conviene transmitir varias respuestas de los contadores al servidor en un solo mensaje. Además, es posible utilizar la compresión de datos. De este modo, se ahorra una cantidad considerable de datos transmitidos entre el concentrador y el servidor.
| Concentrador de datos |
| + menor flujo de datos entre el concentrador de datos y el servidor + desarrollo de aplicaciones sencillas en el lado del servidor + respuesta más rápida a las incidencias de las redes inteligentes |
| – precio – desarrollo y mantenimiento de FW complejos |
Traducción de protocolos – Para las aplicaciones del lado del servidor, es difícil implementar protocolos especializados como el DLMS, W-MBus, etc., que se utilizan en las redes inteligentes. Por lo tanto, es una ventaja que el concentrador se comunique con el servidor mediante un protocolo independiente del utilizado en la red de contadores. Además, este protocolo puede optimizarse y ofrecer una mayor comodidad en su procesamiento en lenguajes de programación de alto nivel.
Análisis de datos, filtrado de eventos – El concentrador no tiene por qué limitarse a reenviar los datos de los contadores al servidor. El concentrador puede analizar estos datos, filtrarlos o realizar otros procesamientos. Esto puede suponer un ahorro sustancial en la comunicación entre el concentrador y el servidor, y también acelera enormemente la respuesta a determinados estados de la red.
Conclusión: ¿Cuál es la solución perfecta?
Una pasarela sin cola puede ser una solución más rentable si la red entre el servidor y la pasarela tiene baja latencia y alto rendimiento con tasas de error mínimas en comparación con la red de contadores.
Dado que una gran parte de las soluciones en la práctica utilizan redes con mayores ratios de latencia y error y menor rendimiento, utilizar la pasarela sin la cola en esos casos es inadecuado y podría causar una reducción significativa del rendimiento de los datos en comparación con los dispositivos con cola.
En estos casos, es necesario utilizar al menos una pasarela con cola, o utilizar un concentrador de datos, lo que puede ahorrar el coste de desarrollo de aplicaciones de servidor y de transferencia de datos entre el concentrador y el servidor.
Un concentrador también puede mejorar la respuesta a los eventos de la red inteligente y, en general, proporcionar una mayor comodidad a la hora de utilizar y dar servicio al dispositivo. Si el dispositivo tiene cola, también es muy importante la disposición del programador de colas que garantice la QoS.