Implementación y evaluación del período libre de contienda en PRIME

Comunicación presentada para el III Congreso Smart Grids:

Autores

• Concha Mora de Amarillas, Alumna Grado en Ingeniería de Telecomunicación, Universidad Pontificia Comillas de Madrid
• Javier Matanza Domingo, Profesor Colaborador, Universidad Pontificia Comillas de Madrid
• Gregorio López López, Investigador, Universidad Carlos III de Madrid

Resumen

PRIME (PoweRline Intelligent Metering Evolution) es una tecnología ampliamente desplegada en la última milla de las infraestructuras de medición avanzada (AMI) en España (Iberdrola, Unión Fenosa), además de estar en proceso de expansión global. A pesar de que el estándar considere un período con contienda (SCP) y un período libre de contienda (CFP), en la práctica actualmente sólo se implementa el primero. Sin embargo, pueden encontrarse estudios en la literatura que investigan las posibilidades que el CFP ofrece, por ejemplo, para proporcionar varios servicios con diferentes requisitos de comunicaciones sobre una misma red. Este artículo describe la implementación realizada del CFP, según se define en el estándar PRIME, para el simulador de redes SimPRIME. Además, el artículo evalúa el impacto de combinar el CFP y el SCP en el rendimiento de la red para varios escenarios especialmente ilustrativos.

Palabras clave

AMI, CFP, ITU-T G.9904, OMNeT++, PLC, PRIME, QoS, SCP, simPRIME, Smart Grid

Introducción

Las AMI están siendo ampliamente desplegadas a nivel mundial y, especialmente, a nivel europeo (Uribe et al., 2016) (Andreadou et al., 2016). De hecho, la Comisión Europea estima una inversión de 45 billones de euros asociada al despliegue de 200 M de contadores inteligentes para el año 2020 sólo en la UE (EC, 2014).

Las tecnologías NB-PLC (Narrowband Power Line Communications) están siendo ampliamente utilizadas en la última milla de dichas AMI por las muchas ventajas que presentan, como que la infraestructura de comunicaciones ya está desplegada (el cable eléctrico), por lo que permiten reducir los costes de despliegue. De hecho, según la orden IET/290/2012, en España el 100 % de los contadores eléctricos deberán ser contadores inteligentes con capacidad de telegestión para el año 2018, y todos ellos utilizarán tecnologías NB-PLC: aproximadamente el 50 % (en torno a 14 M) utilizará Meters&More (Endesa) y el otro 50 % utilizará PRIME (PoweRline Intelligent Metering Evolution) (Iberdrola, Fenosa, EDP).

Este artículo se centra en la tecnología PRIME, cuyas capas físicas y de enlace fueron estandarizadas por la ITU-T en 2012 (G.9904, 2012). Más concretamente, el artículo se centra en la capa MAC (Medium Access Control) del estándar. A pesar de que a nivel MAC el estándar define tanto un período con contienda (SCP – Shared Contention Period) como un período libre de contienda (CFP – Contention Free Period), actualmente en la práctica sólo se implementa el SCP. Sin embargo, existen estudios en la literatura que investigan las posibilidades que el CFP ofrece, por ejemplo, para proporcionar varios servicios con diferentes requisitos de comunicaciones sobre una misma red PRIME (Sendin et al., 2014).

Este artículo profundiza en esta línea de investigación, evaluando el efecto del uso del CFP tanto en el rendimiento global de una red PRIME como en el rendimiento individual de sus nodos en base a la latencia de las comunicaciones. Para ello, se ha extendido la funcionalidad del popular simulador de redes PRIME SimPRIME (SimPRIME, 2016), desarrollado como parte de la tesis doctoral del Dr. Javier Matanza (Matanza, 2016), implementando el CFP según se define en el estándar.

El resto del artículo se organiza de la siguiente manera. En primer lugar, se resumen las características del estándar prestando especial atención a los procedimientos relativos al acceso al medio. En segundo lugar, se describe la implementación del CFP realizada en el simulador simPRIME. A continuación, se analizan los resultados obtenidos de simular el uso del CFP en una serie de escenarios representativos. Por último, se presentan las principales conclusiones del estudio y se apuntan las principales líneas de trabajo futuras.

Resumen de la tecnología prime

Como se ha comentado, PRIME es una tecnología NB-PLC de segunda generación cuya especificación ha sido liderada por la PRIME Alliance, aunque las especificaciones de las capas PHY (PHYsical), MAC y de Convergencia han sido aceptadas como estándar por la ITU-T (G.9904, 2012).

A nivel PHY, PRIME opera en la banda CENELEC-A (concretamente entre los 41 KHz y los 89 KHz) y utiliza OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) como modulación, pudiendo alcanzar tasas de transmisión de hasta 130 Kbps.

A nivel MAC, se definen dos tipos de nodo: Nodo Base (BN) y Nodo de Servicio (SN). El Nodo Base representa el coordinador de una red PRIME. Sólo puede haber un Nodo Base en cada red PRIME (en nuestro caso, el Concentrador desempeña el papel de Nodo Base). Los Nodos de Servicio pueden funcionar sólo como Contadores o como Contadores y Conmutadores (SWs – Switches). Los SWs son repetidores cuyo principal objetivo es aumentar la cobertura y la calidad de las comunicaciones de la red. En cuanto al acceso al medio, como también se ha comentado, el estándar define dos tipos de técnicas para acceder al canal: un período con contienda (SCP) y un período libre de contienda (CFP). En el caso del primero, se hace uso de CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Colission Avoidance) como técnica de acceso al medio. Mientras que, en el caso del CFP, cada SN que desea hablar con el BN realiza una reserva de un slot de tiempo dentro de cada trama, en el cual ningún otro nodo accede al canal.

Las ventajas, desventajas y utilidades de cada método son claras: por un lado, el uso del SCP requiere un menor tráfico de gestión, pero no ofrece garantías de transmisión, es decir, las posibilidades de transmitir dependerán de lo saturada que esté la red; por otro lado, el uso del CFP genera un cierto tráfico de gestión extra, pues es necesario comunicar a todos los nodos la existencia de slots de CFP, pero permite que los nodos que utilicen CFP consigan un circuito virtual con una capacidad garantizada, es decir, con una cierta calidad de servicio (QoS). Respecto a la utilidad, es claro que el uso del SCP está pensado para aplicaciones en las que el tiempo no es crítico. Un ejemplo sería la transmisión de los datos de consumo, donde es necesario que se transmita la información, pero es menos sensible al tiempo. El CPF, por el contrario, está pensado para aplicaciones típicas de control, donde es necesario garantizar una cierta QoS (p.ej., retardo constante, bajo jitter), como se mencionaba anteriormente. Estas dos técnicas de acceso al medio son precisamente la parte fundamental del estudio que se hace en este artículo.

La capa de Convergencia se sub-divide en dos sub-capas: (1) CPCS (Common Part Convergence Sublayer), que es responsable de adaptar los tamaños de trama de las capas superiores y de la capa MAC; (2) SSCS (Service Specific Convergence Sublayer), que permite soportar varios protocolos de nivel superior.

A nivel de aplicación, todas las tecnologías NB-PLC (PRIME, G3, Meters & More, OSGP – Open Smart Grid Protocol) utilizan DLMS/COSEM. DLMS/COSEM (Device Language Message Specification/Companion Specification for Energy Metering) especifica un modelo de datos diseñado a medida para contadores de energía junto con un mecanismo de comunicación basado en mensajes para intercambiar dichos datos.

Descripción de la implementación realizada

El simulador simPRIME sobre el que se ha implementado el CFP está basado en la plataforma OMNeT++ (Varga, 2008), un entorno de simulación modular basado en C++, basado en eventos y comúnmente utilizado para la simulación de redes de comunicaciones.

Concretamente se ha desarrollado el diálogo, véase Figura 1 que tiene lugar entre el BN y un SN que solicita la asignación de un slot de tiempo para su transmisión durante el CFP.

Todas las solicitudes de asignación del slot (CFP_ALC_REQ) tienen como destino el BN. Además, en el caso en el que haya nodos SW en el trayecto lógico hacia el BN, éste último asigna slots de tiempo para los nodos SW intermedios. Asimismo, el BN envía un mensaje de carácter informativo (FRA_CFP_IND) a todos los nodos de la red para dar a conocer un cambio incipiente en la estructura de la trama. Finalmente, confirma la asignación del slot a cada uno de los nodos involucrados con un mensaje CFP_ALC_IND. En esta confirmación se detalla el inicio de cada slot, la duración de éste y la trama a partir de la cual toma efecto dicha asignación. Si, por el contrario, el BN rechaza la solicitud de asignación, envía un mensaje CFP_ALC_REJ.

Según el estándar, el número máximo de slots CFP que admite una trama es 32, es decir, en el caso de no existir SWs, 16 nodos de servicio pueden transmitir durante el CFP (ya que los 16 slots restantes estarían dedicados para los ACK del BN). No obstante, la longitud de los slots solicitados por los SN no viene limitada por el estándar. Obviamente esta longitud no puede sobrepasar la duración de una trama completa. Es también obvio, aunque no queda reflejado en el estándar, que la duración pedida por los SN ha de ser, como mínimo, tan corta como el tamaño máximo de unidad de transmisión (máxima MSDU – MAC Service Data Unit). De lo contrario podría darse el caso de que algunos fragmentos de la capa de CPCS no puedan ser enviados, al no disponer de tiempo suficiente para la transmisión.

De acuerdo a los valores utilizados en estudios relacionados (Sendin et al, 2014), (Seijo et al, 2015), se han tomado slots de longitud 376 y 256 bits para el SN y el BN respectivamente, haciéndolas coincidir con el valor correspondiente de MSDU. De esta manera, se obtienen slots de longitud 10 símbolos OFDM (24 ms aproximadamente) para los SN y 7 símbolos OFDM (16.8 ms aproximadamente) para el BN. Ya que el tamaño de una trama es constante y de valor 276 símbolos OFDM, con los anteriores valores, el límite de slots CFP que podrían existir sería de 32.

Análisis de resultados

Utilizando el entorno de simulación descrito previamente, se han llevado a cabo diferentes experimentos para comprobar el efecto que tiene el uso del CFP tanto en el rendimiento global de una red PRIME como en el de desagregado de cada uno de sus nodos.

El escenario bajo estudio es el de una red de baja tensión compuesta por un BN y una serie de SNs distribuidos de manera equidistante en la línea de distribución. Para no introducir excesivas variables en el problema, se asume que la atenuación existente en la red es lo suficientemente baja como para que todos los nodos puedan tener comunicación directa con el BN. Es decir, la red no contará con SW.

Asimismo, a la hora de evaluar el rendimiento de la red, los resultados están enfocados a dos indicadores principales. Por un lado, el tiempo necesario para hacer una lectura a todos los SNs presentes en la red. Este parámetro será referenciado como Time To Read All o TTRAll. Por otro lado, el tiempo necesario para hacer una lectura a un único SN. Este parámetro será indicado como Round-Trip Time o RTT.

La elección de estos indicadores no es aleatoria, sino que es precisamente este tipo de medidas las que son de interés por las compañías de distribución. La razón principal es que permiten obtener una idea de la frecuencia de refresco de los datos de consumo.

La Figura 2 muestra los valores para TTRAll en forma de cajas de dispersión en función del número de SNs que cuentan con un slot de CFP. Merece la pena recordar que por cada slot correspondiente a un SN se asigna otro slot para que el BN pueda dialogar también sin necesidad de contienda. En ambas figuras se puede observar como el TTRAll aumenta a medida que hay más slots ocupados. Este comportamiento es lógico puesto que, a pesar de que los nodos que disponen de CFP tienen una latencia constante, el tiempo dedicado a SCP es menor cuanto mayor sea el número de slots ocupados. Por esta razón, el comportamiento global de la red se ve degradado. Además, también se observa que este efecto se acentúa cuanto mayor sea la cantidad de SN en dicha red, ya que existirán más nodos contendiendo por el canal durante el SCP, hasta el punto de que para el caso de 150 SN y 14 de ellos transmitiendo en el CFP, el BN no llega a recibir medidas de todos los SN de la red.

La contrapartida al empeoramiento global de la red es la garantía de transmisión (QoS) de los SN que sí pueden hacer uso del CFP. Este efecto se puede observar fácilmente en la Figura 3. En ella, se muestra el RTT en función del número de nodos que transmiten en el CFP. No obstante, a diferencia de la Figura 2, en este caso, se han separado los valores de los nodos que utilizan el CFP (línea azul) y de los que utilizan el SCP (línea roja). Los resultados evidencian la principal ventaja de la utilización del CFP: a pesar de que el número de nodos total es diferente en ambas gráficas de la Figura 3, e independientemente del número de nodos presentes en el CFP, todos ellos mantienen el mismo RTT medio. Es decir, el uso del CFP garantiza una calidad de servicio dada independientemente de las condiciones de saturación de la red. Cabe destacar también que el RTT medio es menor en el SCP que en el CFP hasta que el número de SN alcanza un valor determinado (aproximadamente 12 en ambos casos). Esto se debe a que en el CFP se garantiza un RTT fijo, pero éste presenta como límite inferior el tiempo que dura la trama PRIME (276 símbolos OFDM).

Para terminar, la Figura 4 permite evaluar más en detalle la calidad de las comunicaciones de cada nodo en términos de RTT dependiendo del número de SN totales y del número de SN en el CFP. Así, en la gráfica de arriba de la Figura 4 puede observarse como, cuando hay pocos SN en la red (50) y pocos SN transmitiendo en el CFP (4), el RTT en el SCP es bajo y estable, siendo incluso menor que el RTT de los SN en el CFP. Sin embargo, en la gráfica de abajo de la Figura 4 puede observarse como, cuando aumenta el número de SN en la red (150) y de SN transmitiendo en el CFP (14), el RTT en los SN del CFP es contante y estable, mientras que en los SN del CFP hay mucha diversidad y variabilidad (SN con medianas mucho más altas que otros, cajas muy alargadas).

Conclusiones

Este artículo presenta la implementación realizada del período libre de contienda (CFP), según se define en el estándar ITU-T G.9904 (G.9904, 2012), en el popular simulador simPRIME (simPRIME, 2016) y evalúa el impacto del uso del CFP en el rendimiento global de una red PRIME y en el de cada uno de sus nodos, haciendo uso de dicho simulador.

En base al análisis de los resultados obtenidos, en general se concluye que el uso del CFP influye negativamente en el rendimiento global de una red PRIME, especialmente si el número de SN es elevado. Sin embargo, el uso del CFP garantiza la transmisión con RTT fijos y estables, por lo que podría ser interesante utilizarlo, por ejemplo: (1) para cursar el tráfico de un subconjunto de contadores que permiten obtener el estado de la red eléctrica de baja tensión; (2) si se quiere cursar tráfico para controlar fuentes de generación distribuida (CFP) junto a tráfico de tele-gestión (SCP) sobre una misma red PRIME.

Por último, del estudio también puede extraerse la conclusión de que el número de SN que pueden llegar a transmitir en el CFP es bajo. Para incrementarlo y flexibilizar las opciones que este mecanismo ofrece, se podrían organizar los SN de una subred en grupos y que cada grupo pudiera transmitir en el CFP de determinadas tramas.

Agradecimientos

Agradecimientos al Ministerio de Economía y Competitividad por la financiación de la red REDYD-2050 a través del proyecto con referencia ENE2015-70032-REDT, a la cual pertenecen dos de los autores.

Referencias

• Andreadou, N., Guardiola, M., Fulli, G., “Telecommunication Technologies for Smart Grid Projects with Focus on Smart Metering Applications,” Energies, vol. 9, no. 5, p. 375, 2016.
• EC Report. Benchmarking smart metering deployment in the EU-27 with a focus on electricity. 2014.
• ITU-T G.9904. “Narrowband orthogonal frequency division multiplexing power line communication transceivers for PRIME networks”. 2012.
• Matanza, J., “Improvements in the PLC systems for Smart Grids environments”, 2013.
• Seijo, M., Moreno, J. I., López, G., Martín, F. Matanza, J., Alexandres, S., Rodríguez-Morcillo, C., “Let there be light : Dissecting how PRIME networks work based on actual traffic traces,” 2015.
• Sendin, A., Urrutia, I., Garai, M., Arzuaga, T., Uribe, N., “Narrowband PLC for LV smart grid services, beyond smart metering,” in IEEE ISPLC 2014 – 18th IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, 2014, pp. 168–172.
• SimPRIME
• Uribe, N., Hernández, L., de la Vega, D., Angulo, I., “State of the Art and Trends  Review of Smart Metering in Electricity Grids,” Applied Sciences, vol. 6, no. 3, pp. 1–24, 2016.Varga, A.; Hornig, R. “An overview of the OMNeT++ simulation environment”. Simutools ’08, p. 1–10, 2008.