Inteligentne sieci: Koncentrator danych czy brama?
Od momentu powstania sieci komunikacyjnych konieczny był wybór między rozwiązaniami scentralizowanymi i zdecentralizowanymi. Istnieją jednak nie tylko dwa rozwiązania – możliwe jest również wybranie różnych poziomów decentralizacji. To, który poziom decentralizacji jest odpowiedni, zależy od szeregu parametrów. Główne parametry obejmują łączność między różnymi elementami sieci i ich moc obliczeniową.
Urządzenia i topologia inteligentnych sieci
Podstawowym elementem każdej inteligentnej sieci jest inteligentny licznik. Licznik jest nazywany „inteligentnym”, jeśli posiada interfejs komunikacyjny, który umożliwia integrację licznika z inteligentną siecią. Najpopularniejszymi interfejsami komunikacyjnymi są: PLC (power line communication), W-MBus, ZigBee, 6LoWPAN, GPRS itp.
Pomijając GPRS, który nie wymaga bramy ani koncentratora, można powiedzieć, że pozostałe rodzaje komunikacji są tanie pod względem budowy sieci komunikacyjnej, ale charakteryzują się niższą niezawodnością komunikacji i stosunkowo niską przepustowością danych.
Ze względu na stosunkowo niewielką odległość komunikacyjną większości sieci wykorzystywanych do komunikacji z inteligentnymi licznikami, konieczne jest zapewnienie łączności sieciowej z innymi sieciami, takimi jak Internet.
Funkcjonalność ta może być zapewniona przez bramę lub koncentrator danych, który może znajdować się w transformatorze, częściach wspólnych budynku lub w innej lokalizacji. Urządzenia te komunikują się z serwerem głównym, głównie za pośrednictwem sieci komórkowych. Przykład topologii inteligentnej sieci, w tym połączenie z serwerem głównym, pokazano na rysunku 1.
Brama
Najważniejszą funkcją bramy jest przesyłanie wiadomości z jednej sieci do drugiej. Ponadto brama może zarządzać topologią podsieci lub integrować funkcje routera.
Należy zauważyć, że liczniki w większości przypadków nie obsługują protokołów używanych w sieciach komputerowych, które w większości opierają się na usługach internetowych. Nawet jeśli urządzenia są kompatybilne z protokołem IP, w warstwie aplikacji używają wyspecjalizowanych protokołów dla inteligentnych sieci, takich jak DLMS, W MBus itp.
Ze względu na te fakty, funkcjonalności koncentratora danych są nadal potrzebne, ale możliwe jest ich wdrożenie po stronie serwera, gdzie można używać języków programowania wysokiego poziomu i łatwiej jest utrzymać oprogramowanie.
Brama z kolejką/bez kolejki
Na jakość komunikacji ma wpływ obsługa kolejek komunikatów w bramce. Jeśli bramka nie obsługuje kolejki, można ją bardzo łatwo zaimplementować przy niskim zapotrzebowaniu na moc obliczeniową, ale z potencjalnie złymi konsekwencjami dla przepustowości, wskaźników błędów i opóźnień komunikacji.
Jeśli brama obsługuje kolejkowanie, powinna również obsługiwać QoS (quality of service), co pozwala na nadawanie priorytetów wiadomościom przy użyciu harmonogramu. Dobrym przykładem takiego harmonogramu jest LLQ (kolejkowanie o niskim opóźnieniu) stosowane w routerach Ethernet. Jednak implementacja kolejki wraz z obsługą QoS jest wymagająca obliczeniowo.
Sposób obliczania parametrów komunikacji dla bramy bez kolejki i z kolejką, jeśli druga sieć jest typu master-slave (żądanie-odpowiedź), można zobaczyć w tabeli 1. W wariancie bez kolejki szybkość transmisji [szybkość, z jaką informacje są przesyłane w kanale komunikacyjnym] jest zawsze mniejsza niż szybkość transmisji w obu sieciach.
| Brama bez kolejki | Brama z kolejką / Koncentrator | |
| Szybkość transmisji (R) | R = ( R1 R2 ) / ( R1 + R2 ) | R = min (R1 , R2 ) |
| Opóźnienie | Opóźnienie = Opóźnienie1 + Opóźnienie2 | Opóźnienie = Opóźnienie2 |
| Współczynnik błędu (PER) | PER = 1 – (1 – PER1 ) (1 – PER2 ) | PER = ( R – min( R1(1-PER1 ), R2(1-PER2 )) / R |
| Przepustowość | L R / ( L + R Opóźnienie ) ( 1 – PER ) |
Znaczący względny spadek w porównaniu z minimalną szybkością transmisji występuje, jeśli prędkości te są podobne. Opóźnienie jest sumą opóźnień w obu sieciach, a współczynnik błędów jest zawsze większy niż współczynnik błędów w poszczególnych sieciach.
Znaczący względny wzrost współczynnika błędów do największego współczynnika błędów występuje, jeśli sieci mają podobny współczynnik błędów. W przypadku bramek z kolejką szybkość transmisji jest ograniczona tylko szybkością transmisji wolniejszej sieci.
| GPRS | MT-PLC | |
| Szybkość transmisji (R) | R1 = 3200 B/s | R2 = 1160 B/s |
| Opóźnienie | Opóźnienie1 = 0,3 s | Opóźnienie2 = 0,022 s |
| Współczynnik błędu (PER) | PER1 = 20 % | PER2 = 30 % |
| Długość ramy | L = 42 B |
Na długoterminową przepustowość sieci ma wpływ tylko opóźnienie z drugiej sieci, ponieważ opóźnienie pierwszej sieci jest eliminowane przez kolejkę. Współczynnik błędów szybszej sieci występuje tylko wtedy, gdy jej przepustowość jest niższa niż przepustowość wolniejszej sieci.
Przykładowe obliczenia parametrów komunikacji dla GPRS w pierwszej sieci i MT PLC w drugiej sieci przedstawiono w tabeli 3; parametry GPRS i MT PLC w tabeli 2.
| Bez kolejki | Z kolejką | |
| Szybkość transmisji (R) | R = 851 B/s | R = 1160 B/s |
| Opóźnienie | Opóźnienie = 0,322 s | Opóźnienie = 0,022 s |
| Współczynnik błędu (PER) | PER = 44 % | PER = 30 % |
| Przepustowość | 64 B/s = 0,50 kb/s | 505 B/s = 3,95 kb/s |
Ponieważ szybkość transmisji obu sieci jest dość podobna, opóźnienie pierwszej sieci jest znacznie wyższe, a współczynniki błędów sieci są również podobne, nie jest zaskakujące, że wynikowa przepustowość bramki bez kolejki jest znacznie niższa niż bramki z kolejką. W przypadku połączenia Ethernet i MT PLC różnica nie będzie tak znacząca.
Tabela 4 podsumowuje zalety i wady bramek z kolejką i bez kolejki.
| Brama bez kolejki | Brama z kolejką |
| + cena + prosta aktualizacja oprogramowania + łatwiejszy rozwój | + prosta aktualizacja oprogramowania + łatwiejszy rozwój |
| – Niska przepustowość sieci – złożone oprogramowanie po stronie serwera – większy przepływ danych między bramą a serwerem | – złożone oprogramowanie po stronie serwera – większy przepływ danych między bramą a serwerem – serwer musi zarządzać wykorzystaniem kolejki bramki |
Koncentrator danych
Koncentrator danych to kolejny etap rozwoju bramy z kolejką. Biorąc pod uwagę, że brama z kolejką wymaga większej mocy obliczeniowej, istnieje możliwość nieznacznego zwiększenia wydajności i dodania większej funkcjonalności. Rzeczywiste zalety i wady koncentratora danych przedstawiono w tabeli 5.
Automatyczne tworzenie rutynowych zadań – Większość komunikatów w inteligentnych sieciach to okresowe odczyty profili z danymi pomiarowymi i asynchroniczne dzienniki i nic nie stoi na przeszkodzie, aby koncentrator sam tworzył te komunikaty. Oszczędza to znaczną część komunikacji między serwerem a koncentratorem, a serwer nie musi planować tych zadań.
Łączenie odpowiedzi w większe jednostki – Ponieważ pakiety w sieci między koncentratorem a serwerem mogą być w większości przypadków znacznie większe niż rozmiar pakietów w sieci liczników, właściwe jest przesyłanie wielu odpowiedzi z liczników do serwera w jednej wiadomości. Ponadto możliwe jest zastosowanie kompresji danych. Podobnie jak poprzednio, pozwala to zaoszczędzić znaczną ilość danych przesyłanych między koncentratorem a serwerem.
| Koncentrator Danych |
| + niższy przepływ danych między koncentratorem danych a serwerem + proste tworzenie aplikacji po stronie serwera + szybsza reakcja na zdarzenia związane z inteligentnymi sieciami |
| – cena – Kompleksowy rozwój i utrzymanie FW |
Translacja protokołów – w przypadku aplikacji po stronie serwera trudno jest wdrożyć wyspecjalizowane protokoły, takie jak DLMS, W-MBus itp., które są używane w inteligentnych sieciach. Dlatego korzystne jest, jeśli koncentrator komunikuje się z serwerem za pomocą protokołu niezależnego od protokołu używanego w sieci liczników. Co więcej, protokół ten może być zoptymalizowany i może zapewnić większą wygodę w przetwarzaniu w językach programowania wysokiego poziomu.
Analiza danych, filtrowanie zdarzeń – Koncentrator nie musi tylko przekazywać danych z liczników do serwera. Koncentrator może analizować te dane, filtrować je lub wykonywać inne przetwarzanie. Może to spowodować znaczne oszczędności w komunikacji między koncentratorem a serwerem, a także znacznie przyspieszyć reakcję na pewne stany sieci.
Wnioski: Jakie jest idealne rozwiązanie?
Brama bez kolejki może być bardziej opłacalnym rozwiązaniem, jeśli sieć między serwerem a bramką ma niskie opóźnienia i wysoką przepustowość przy minimalnych poziomach błędów w porównaniu z siecią liczników.
Ponieważ duża część rozwiązań w praktyce wykorzystuje sieci o wyższych opóźnieniach i współczynnikach błędów oraz niższej przepustowości, korzystanie z bramy bez kolejki w takich przypadkach jest niewłaściwe i może spowodować znaczne zmniejszenie przepustowości danych w porównaniu z urządzeniami z kolejką.
W takich przypadkach konieczne jest użycie co najmniej bramy z kolejką lub koncentratora danych, co może zaoszczędzić na kosztach tworzenia aplikacji serwerowych i przesyłania danych między koncentratorem a serwerem.
Koncentrator może również poprawić reakcję na zdarzenia inteligentnej sieci i ogólnie zapewnić większy komfort podczas korzystania i serwisowania urządzenia. Jeśli urządzenie ma kolejkę, bardzo ważne jest również ustawienie harmonogramu kolejki zapewniającego QoS.