Réseaux intelligents : Concentrateur de données ou passerelle ?
Depuis la mise en place des réseaux de communication, il a fallu choisir entre des solutions centralisées et des solutions décentralisées. Mais il n’y a pas que deux solutions, il est également possible de choisir différents niveaux de décentralisation. Le choix du niveau de décentralisation dépend d’un certain nombre de paramètres. Les principaux paramètres sont la connectivité entre les différents éléments du réseau et leur puissance de calcul.
Dispositifs et topologie des réseaux intelligents
L’élément fondamental de tout réseau intelligent est un compteur intelligent. Le compteur est dit « intelligent » s’il dispose d’une interface de communication qui permet de l’intégrer au réseau intelligent. Les interfaces de communication les plus courantes sont les suivantes : CPL (power line communication), W-MBus, ZigBee, 6LoWPAN, GPRS, etc.
Si l’on excepte le GPRS, qui ne nécessite pas de passerelle ou de concentrateur, on peut dire que les autres types de communication sont peu coûteux en termes de construction du réseau de communication, mais qu’ils se caractérisent par une fiabilité moindre de la communication et un débit de données relativement faible.
En raison de la distance de communication relativement courte de la plupart des réseaux utilisés pour la communication avec les compteurs intelligents, il est nécessaire d’assurer la connectivité du réseau avec d’autres réseaux tels que l’internet.
Cette fonctionnalité peut être assurée par une passerelle ou un concentrateur de données, qui peut être situé dans un transformateur, dans les parties communes du bâtiment ou à un autre endroit. Ces dispositifs communiquent avec un serveur central, le plus souvent par l’intermédiaire de réseaux mobiles. La figure 1 présente un exemple de topologie de réseau intelligent avec connexion au serveur central.
Passerelle
La fonction la plus importante d’une passerelle est de transmettre des messages d’un réseau à un autre. En outre, la passerelle peut gérer la topologie des sous-réseaux ou intégrer la fonction de routeur.
Il est nécessaire de noter que, dans la plupart des cas, les compteurs ne prennent pas en charge les protocoles utilisés dans les réseaux informatiques, qui sont principalement basés sur les services web. Même lorsque les appareils sont compatibles avec le protocole IP, ils utilisent, au niveau de la couche d’application, des protocoles spécialisés pour les réseaux intelligents tels que DLMS, W MBus, etc.
Pour cette raison, les fonctionnalités du concentrateur de données sont toujours nécessaires, mais il est possible de les mettre en œuvre du côté du serveur, où des langages de programmation de haut niveau peuvent être utilisés et où il est plus facile de maintenir le logiciel.
Passerelle avec/sans file d’attente
La qualité de la communication est influencée par la prise en charge de la file d’attente des messages par la passerelle. Si la passerelle ne prend pas en charge la file d’attente, elle peut être mise en œuvre très facilement avec de faibles exigences en matière de puissance de calcul, mais avec des conséquences potentiellement néfastes pour le débit, les taux d’erreur et la latence de la communication.
Si la passerelle prend en charge la file d’attente, elle doit également prendre en charge la qualité de service (QoS), qui permet de hiérarchiser les messages à l’aide d’un planificateur. Le LLQ (low-latency queuing) utilisé dans les routeurs Ethernet est un bon exemple de ce type d’ordonnanceur. Cependant, l’implémentation de la file d’attente avec la prise en charge de la qualité de service est très exigeante en termes de calcul.
Le tableau 1 montre comment calculer les paramètres de communication pour la passerelle sans file d’attente et avec file d’attente si le deuxième réseau est de type maître-esclave (demande-réponse). Dans la variante sans file d’attente, la vitesse de transmission [vitesse à laquelle l’information est transférée dans un canal de communication] est toujours inférieure à la vitesse de transmission dans les deux réseaux.
| Passerelle sans file d’attente | Passerelle avec fille d’attente / Concentrateur | |
| Vitesse de transmission (R) | R = ( R1 R2 ) / ( R1 + R2 ) | R = min (R1 , R2 ) |
| Temps de latence | Latence = Latence1 + Latence2 | Latence = Latence2 |
| Taux d’erreur (PER) | PER = 1 – (1 – PER1 ) (1 – PER2 ) | PER = ( R – min( R1(1-PER1 ), R2(1-PER2 )) / R |
| Débit | L R / ( L + R Latence ) ( 1 – PER ) |
Une diminution relative significative par rapport à la vitesse de transmission minimale se produit si ces vitesses sont similaires. La latence est la somme des latences dans les deux réseaux, et le taux d’erreur est toujours supérieur au taux d’erreur dans les réseaux individuels.
Une augmentation relative significative du taux d’erreur par rapport au taux d’erreur le plus élevé se produit si les réseaux ont un taux d’erreur similaire. Dans le cas des passerelles avec file d’attente, la vitesse de transmission n’est limitée que par la vitesse de transmission du réseau le plus lent.
| GPRS | MT-PLC | |
| Vitesse de transmission (R) | R1 = 3200 B/s | R2 = 1160 B/s |
| Temps de latence | Latence1 = 0,3 s | Latence2 = 0,022 s |
| Taux d’erreur (PER) | PER1 = 20 % | PER2 = 30 % |
| Longueur du cadre | L = 42 B |
Le débit du réseau à long terme n’est affecté que par la latence du deuxième réseau, puisque la latence du premier réseau est éliminée par la file d’attente. Le taux d’erreur du réseau le plus rapide ne se produit que si son débit est inférieur à celui du réseau le plus lent.
Le tableau 3 donne un exemple de calcul des paramètres de communication pour le GPRS dans le premier réseau et le MT PLC dans le second réseau ; les paramètres du GPRS et du MT PLC figurent dans le tableau 2.
| Sans file d’attente | Avec file d’attente | |
| Vitesse de transmission (R) | R = 851 B/s | R = 1160 B/s |
| Temps de latence | Latence = 0,322 s | Latence = 0,022 s |
| Taux d’erreur (PER) | PER = 44 % | PER = 30 % |
| Débit | 64 B/s = 0,50 kb/s | 505 B/s = 3,95 kb/s |
Le débit en bauds des deux réseaux étant assez similaire, la latence du premier réseau est considérablement plus élevée, et comme les taux d’erreur des réseaux sont également similaires, il n’est pas surprenant que le débit résultant pour la passerelle sans file d’attente soit beaucoup plus faible que celui de la passerelle avec file d’attente. Dans le cas d’une combinaison d’Ethernet et de MT PLC, la différence ne sera pas aussi importante.
Le tableau 4 résume les avantages et les inconvénients des passerelles avec et sans file d’attente.
| Passerelle sans file d’attente | Passerelle avec file d’attente |
| + prix + simple mise à jour du logiciel + développement plus facile | + simple mise à jour du logiciel + développement plus facile |
| – faible débit du réseau – logiciel complexe sur le serveur – un flux de données plus important entre la passerelle et le serveur | – logiciel complexe sur le serveur – un flux de données plus important entre la passerelle et le serveur – doit gérer l’utilisation de la file d’attente de la passerelle |
Concentrateur de données
Un concentrateur de données est une autre étape du développement de la passerelle avec file d’attente. Étant donné que la passerelle avec file d’attente nécessite une plus grande puissance de calcul, il est possible d’augmenter légèrement les performances et d’ajouter davantage de fonctionnalités. Les avantages et les inconvénients réels d’un concentrateur de données sont présentés dans le tableau 5.
Création automatique de tâches de routine – La majorité des messages dans les réseaux intelligents sont des lectures périodiques de profils avec des données mesurées et des journaux asynchrones et rien n’empêche le concentrateur de créer ces messages lui-même. Cela permet d’économiser une part considérable de la communication entre le serveur et le concentrateur, et le serveur ne doit pas programmer ces tâches.
Regroupement des réponses en unités plus importantes – Étant donné que les paquets du réseau entre le concentrateur et le serveur peuvent, dans la plupart des cas, être beaucoup plus importants que la taille des paquets dans le réseau des compteurs, il convient de transmettre plusieurs réponses des compteurs au serveur dans un seul message. En outre, il est possible d’utiliser la compression des données. Comme précédemment, cela permet d’économiser une quantité considérable de données transmises entre le concentrateur et le serveur.
| Concentrateur de données |
| + flux de données plus faible entre le concentrateur de données et le serveur + développement d’applications simples côté serveur + réponse plus rapide aux événements liés aux réseaux intelligents |
| – prix – développement et maintenance de logiciels complexes |
Traduction de protocole – Pour les applications côté serveur, il est difficile de mettre en œuvre des protocoles spécialisés tels que le DLMS, le W-MBus, etc. qui sont utilisés dans les réseaux intelligents. Il est donc avantageux que le concentrateur communique avec le serveur au moyen d’un protocole indépendant du protocole utilisé dans le réseau de compteurs. En outre, ce protocole peut être optimisé et son traitement dans des langages de programmation de haut niveau peut s’avérer plus pratique.
Analyse des données, filtrage des événements – Le concentrateur ne doit pas se contenter de transmettre les données des compteurs au serveur. Il peut analyser ces données, les filtrer ou effectuer d’autres traitements. Cela peut entraîner des économies substantielles dans la communication entre le concentrateur et le serveur, et permet également d’accélérer considérablement la réponse à certains états du réseau.
Conclusion : Quelle est la solution idéale ?
Une passerelle sans file d’attente peut être une solution plus rentable si le réseau entre le serveur et la passerelle a une faible latence et un débit élevé avec des taux d’erreur minimes par rapport au réseau du compteur.
Étant donné qu’une grande partie des solutions utilisées dans la pratique font appel à des réseaux présentant des taux de latence et d’erreur plus élevés et un débit plus faible, l’utilisation de la passerelle sans file d’attente dans ces cas est inappropriée et pourrait entraîner une réduction significative du débit de données par rapport aux dispositifs avec file d’attente.
Dans ces cas, il est nécessaire d’utiliser au moins une passerelle avec file d’attente, ou d’utiliser un concentrateur de données, ce qui permet d’économiser le coût du développement des applications serveur et du transfert des données entre le concentrateur et le serveur.
Un concentrateur peut également améliorer la réponse aux événements du réseau intelligent et, d’une manière générale, apporter un plus grand confort lors de l’utilisation et de l’entretien de l’appareil. Si l’appareil dispose d’une file d’attente, la mise en place d’un planificateur de file d’attente garantissant la qualité de service est également très importante.