Redes inteligentes: Concentrador de dados ou gateway?
Desde o estabelecimento das redes de comunicação, é necessário escolher entre soluções centralizadas e descentralizadas. Entretanto, não existem apenas duas soluções – também é possível escolher diferentes níveis de descentralização. O nível de descentralização adequado depende de vários parâmetros. Os principais parâmetros incluem a conectividade entre os diferentes elementos da rede e sua capacidade de computação.
Dispositivos e topologia de redes inteligentes
O elemento fundamental de qualquer rede inteligente é um medidor inteligente. O medidor é chamado de “inteligente” se tiver uma interface de comunicação que permita a integração do medidor à rede inteligente. As interfaces de comunicação mais comuns são: PLC (comunicação por linha de energia), W-MBus, ZigBee, 6LoWPAN, GPRS etc.
Deixando de lado o GPRS, que não requer um gateway ou concentrador, pode-se dizer que os tipos de comunicação restantes são de baixo custo em termos de construção da rede de comunicação, mas são caracterizados por uma menor confiabilidade da comunicação e uma taxa de transferência de dados relativamente baixa.
Devido à distância de comunicação relativamente curta da maioria das redes usadas para comunicação com medidores inteligentes, é necessário garantir a conectividade da rede com outras redes, como a Internet.
Essa funcionalidade pode ser fornecida por um gateway ou concentrador de dados, que pode estar localizado em um transformador, em áreas comuns do edifício ou em outro local. Esses dispositivos se comunicam com um servidor principal, principalmente por meio de redes móveis. Um exemplo de topologia de rede inteligente, incluindo a conexão com o servidor principal, é mostrado na Figura 1.
Gateway
A função mais importante do gateway é transmitir mensagens de uma rede para outra. Além disso, o gateway pode gerenciar a topologia de sub-redes ou integrar a funcionalidade de roteador.
É necessário observar que os medidores, na maioria dos casos, não são compatíveis com os protocolos usados em redes de computadores que, em sua maioria, são baseados em serviços da Web. Mesmo quando os dispositivos são compatíveis com o protocolo IP, na camada de aplicativos eles usam protocolos especializados para redes inteligentes, como DLMS, W MBus etc.
Devido a esses fatos, as funcionalidades do concentrador de dados ainda são necessárias, mas é possível implementá-las no lado do servidor, onde linguagens de programação de alto nível podem ser usadas e é mais fácil manter o software.
Gateway com/sem fila
A qualidade da comunicação é influenciada pelo suporte à fila de mensagens no gateway. Se o gateway não for compatível com a fila, ele poderá ser implementado com muita facilidade, com baixa demanda de capacidade de computação, mas com possíveis consequências ruins para a taxa de transferência, as taxas de erro e a latência da comunicação.
Se o gateway for compatível com filas, ele também deverá ser compatível com QoS (qualidade de serviço), que permite a priorização de mensagens usando um agendador. Um bom exemplo desse agendador é o LLQ (enfileiramento de baixa latência) usado em roteadores Ethernet. No entanto, a implementação da fila junto com o suporte a QoS exige muito da computação.
Uma maneira de calcular os parâmetros de comunicação para o gateway sem fila e com fila se a segunda rede for do tipo mestre-escravo (solicitação-resposta) pode ser vista na Tabela 1. Na variante sem fila, a taxa de baud [a taxa na qual as informações são transferidas em um canal de comunicação] é sempre menor que a taxa de baud em ambas as redes.
| Gateway sem fila | Gateway com fila / Concentrador | |
| Taxa de baud (R) | R = ( R1 R2 ) / ( R1 + R2 ) | R = min (R1 , R2 ) |
| Latência | Latência= Latência1 + Latência2 | Latência = Latência2 |
| Taxa de erro (PER) | PER = 1 – (1 – PER1 ) (1 – PER2 ) | PER = ( R – min( R1(1-PER1 ), R2(1-PER2 )) / R |
| Taxa de transferência | L R / ( L + R Latência ) ( 1 – PER ) |
Ocorre uma redução relativa significativa em comparação com a taxa de baud mínima se essas velocidades forem semelhantes. A latência é a soma das latências em ambas as redes, e a taxa de erro é sempre maior do que a taxa de erro nas redes individuais.
Um aumento relativo significativo na taxa de erro para a maior taxa de erro ocorre se as redes tiverem taxas de erro semelhantes. No caso de gateways com uma fila, a taxa de transmissão é limitada apenas pela taxa de transmissão da rede mais lenta.
| GPRS | MT-PLC | |
| Taxa de baud (R) | R1 = 3200 B/s | R2 = 1160 B/s |
| Latência | Latência1 = 0,3 s | Latência2 = 0,022 s |
| Taxa de erro (PER) | PER1 = 20 % | PER2 = 30 % |
| Comprimento do quadro | L = 42 B |
A taxa de transferência da rede de longo prazo é afetada somente pela latência da segunda rede, pois a latência da primeira rede é eliminada pela fila. A taxa de erro da rede mais rápida ocorre somente se sua taxa de transferência for menor do que a taxa de transferência da rede mais lenta.
Exemplo de cálculo de parâmetros de comunicação para GPRS na primeira rede e MT PLC na segunda rede são mostrados na Tabela 3; os parâmetros de GPRS e MT PLC na Tabela 2.
| Sem fila | Com fila | |
| Taxa de baud (R) | R = 851 B/s | R = 1160 B/s |
| Latência | Latência = 0,322 s | Latência = 0,022 s |
| Taxa de erro (PER) | PER = 44 % | PER = 30 % |
| Taxa de transferência | 64 B/s = 0,50 kb/s | 505 B/s = 3,95 kb/s |
Como a taxa de transmissão de ambas as redes é bastante semelhante, a latência da primeira rede é consideravelmente maior e, como as taxas de erro das redes também são semelhantes, não é de surpreender que a taxa de transferência resultante do gateway sem fila seja muito menor do que a do gateway com fila. No caso de uma combinação de Ethernet e MT PLC, a diferença não será tão significativa.
A Tabela 4 resume as vantagens e desvantagens dos gateways com fila e sem fila.
| Gateway sem fila | Gateway com fila |
| + preço + atualização simples de software + desenvolvimento mais fácil | + atualização simples de software + desenvolvimento mais fácil |
| – baixa taxa de transferência de rede – software complexo no lado do servidor – maior fluxo de dados entre o gateway e o servidor | – software complexo no lado do servidor – maior fluxo de dados entre o gateway e o servidor – O servidor precisa gerenciar o uso da fila do gateway |
Concentrador de dados
Um concentrador de dados é outro estágio de desenvolvimento do gateway com uma fila. Como o gateway com fila requer mais poder de computação, existe a possibilidade de aumentar ligeiramente o desempenho e adicionar mais funcionalidades. As vantagens e desvantagens reais de um concentrador de dados são mostradas na Tabela 5.
Criação automática de tarefas de rotina – A maioria das mensagens em redes inteligentes são leituras periódicas de perfis com dados medidos e registros assíncronos, e nada impede que o concentrador crie essas mensagens por conta própria. Isso economiza uma parte considerável da comunicação entre o servidor e o concentrador, e o servidor não precisa programar essas tarefas.
Junção de respostas em unidades maiores – Como os pacotes na rede entre o concentrador e o servidor podem ser, na maioria dos casos, substancialmente maiores do que o tamanho dos pacotes na rede de medidores, é apropriado transmitir várias respostas dos medidores para o servidor em uma única mensagem. Além disso, é possível usar a compactação de dados. Como antes, isso economiza uma quantidade considerável de dados transmitidos entre o concentrador e o servidor.
| Concentrador de dados |
| + menor fluxo de dados entre o concentrador de dados e o servidor + desenvolvimento de aplicativos simples no lado do servidor + resposta mais rápida a eventos de redes inteligentes |
| – preço – Desenvolvimento e manutenção complexos de FW |
Tradução de protocolo – Para aplicativos no lado do servidor, é difícil implementar protocolos especializados, como o DLMS, W-MBus etc., que são usados em redes inteligentes. Portanto, é vantajoso que o concentrador se comunique com o servidor por meio de um protocolo independente do protocolo usado na rede de medidores. Além disso, esse protocolo pode ser otimizado e pode oferecer maior conveniência em seu processamento em linguagens de programação de alto nível.
Análise de dados, filtragem de eventos – O concentrador não precisa apenas encaminhar os dados dos medidores para o servidor. O concentrador pode analisar esses dados, filtrá-los ou realizar outros processamentos. Isso pode resultar em uma economia substancial na comunicação entre o concentrador e o servidor, além de acelerar bastante a resposta a determinados estados da rede.
Conclusão: Qual é a solução perfeita?
Um gateway sem fila pode ser uma solução mais econômica se a rede entre o servidor e o gateway tiver baixa latência e alta taxa de transferência com taxas de erro mínimas em comparação com a rede do medidor.
Como grande parte das soluções na prática usa redes com taxas de latência e de erro mais altas e menor taxa de transferência, o uso do gateway sem a fila nesses casos é inadequado e pode causar uma redução significativa da taxa de transferência de dados em comparação com os dispositivos com fila.
Nesses casos, é necessário usar pelo menos um gateway com fila ou usar um concentrador de dados, o que pode economizar o custo do desenvolvimento de aplicativos de servidor e da transferência de dados entre o concentrador e o servidor.
Um concentrador também pode melhorar a resposta a eventos de rede inteligente e, em geral, proporcionar mais conforto ao usar e fazer a manutenção do dispositivo. Se o dispositivo tiver fila, o arranjo do agendador de fila que garante a QoS também é muito importante.