Odczyty z wykorzystaniem nowych technologii komunikacyjnych: NB IoT, LORA, SigFox, LTE CatM1

Transkrypt

1 Wisła, r. Jarosław Sokół, Marcin Pastuszka Odczyty z wykorzystaniem nowych technologii komunikacyjnych: NB IoT, LORA, SigFox, LTE CatM1

2 Projekt ODCZYTY W 2017 roku w Laboratorium AMI, TAURON Dystrybucja Pomiary Sp. z o.o. uruchomiono projekt B&R "Odczyt liczników energii elektrycznej oraz liczników innych mediów z wykorzystaniem nowych technologii komunikacyjnych w zakresie optymalizacji kosztów odczytu danych pomiarowych liczników komunalnych Projekt stanowi wypełnienie Strategicznej Agendy Badawczej TPE. Projekt miał na celu: a) weryfikację nowych technologii komunikacyjnych LoRa, SigFox, Narrowband IoT do odczytu zdalnego liczników energii elektrycznej b) weryfikację możliwości świadczenia nowych usług zewnętrznych, w tym odczyt liczników innych mediów. planowane korzyści: sprawniejsza i szybsza realizacja odczytów, wyższa skuteczność realizowanych odczytów oraz eliminacja błędów odczytowych, poprzez ograniczenie czynnika ludzkiego.

3 Porównywane technologie radiowe Technologia LoRa NB-IoT Sigfox Częstotliwość 868 MHz 900 MHz 868 MHz Specyfika Pasma Nie licencjonowane Licencjonowane Nie licencjonowane Koszt modułu ~5$ ~10$ ~5$ Przepustowość <1Kbps ~100Kbps <1Kbps

4 Etap 1 - analiza Technologia Lora może być wdrożona, bez żadnych opóźnień na dużym obszarze kraju. Wymaga ona jednak tworzenia infrastruktury sieciowej (sprzętowej) oraz infrastruktury informatycznej, co może się przełożyć na znaczne koszty początkowe ale zaowocuje niskimi kosztami utrzymania sieci. W perspektywie roku technologia NB IoT rozwinie się na tyle, że będzie mogła być masowo stosowana w systemach liczników energii elektrycznej z funkcjonalnością zdalnego odczytu. Koszty związane z wdrożeniem systemu będą znacznie niższe (wymagane będzie utworzenie infrastruktury informatycznej). Infrastruktura sieciowa będzie utrzymywana przez zewnętrznych operatorów, którzy będą pobierali opłaty abonamentowe od urządzeń IoT włączonych do sieci. Opłaty abonamentowe powinny się kształtować na średnim poziomie, regulowanym przez zasady wolnorynkowe.

5 Etap 1 analiza c.d. Technologia Sigfox jest rozwiązaniem kompleksowym, oferującym infrastrukturę sieciową, oraz szeroki wachlarz usług informatycznych (bazy danych, chmura, zabezpieczenia danych, interfejsy dla klientów IT). Na dzień dzisiejszy możliwość wykorzystania tej technologii w Polsce do systemu liczników energii elektrycznej z funkcjonalnością zdalnego odczytu stoi pod znakiem zapytania. Zaletą tej technologii są najniższe koszty związane z przygotowaniem systemu pomiarowego. Cała infrastruktura oraz usługi informatyczne będą dostępne od ręki. Problemem może być jednak fakt, że usługi oraz cała infrastruktura sieciowa są pod opieką jednej firmy (Sigfox).

6 Etap 2 - zestawy testowe Przygotowanie i uruchomienie zestawów testowych na bazie układów komunikacyjnych firmy TELIT SigFOX LoRaWAN NB IoT

7 LoRaWAN Sieć LoRaWAN wykorzystuje do działania otwarte pasmo ISM 868 MHz. Składa się z 3 podstawowych elementów: Urządzenia końcowego (LoRaWAN node) Koncentratora (LoRaWAN gateway) Serwera sieciowego (LoRaWAN Network Server) W naszym przypadku urządzeniem końcowym jest zestaw ewaluacyjny RE866, a jako serwer sieciowy wykorzystaliśmy platformę The Things Network.

8 LoRaWAN Wykonano odczyt danych z licznika Landys+Gyr za pomocą protokołu IEC1107, odczyt identyfikatora licznika oraz rejestrów (A+) oraz (A-) Z powodu ograniczeń technologicznych związanych m.in z długością ramek nie ma możliwości transmisji przeźroczystej żadnego protokołu licznikowego w tym IEC, DLMS lub DLMS/HLS.

9 sigfox Sieć SigFox wykorzystuje do działania otwarte pasmo ISM 868 MHz. Infrastruktura sieciowa w postaci stacji bazowych dostarczana jest przez operatora sieci SigFox. W odróżnieniu od technologii LoRaWAN typowy użytkownik nie ma możliwości zbudowania własnej komercyjnej lub otwartej sieci. Zestaw ewaluacyjny z modułem Telit LE S działa jako urządzenie końcowe. Moduł komunikuje się za pośrednictwem dostępnej w Warszawie sieci SigFox. Dane z urządzeń oraz informacje diagnostyczne dostępne są z poziomu aplikacji webowej backend.sigfox.com lub poprzez dostępne API dla systemów zewnętrznych.

10 sigfox Oprogramowanie z częstotliwością 1 minuty realizuje odczyt podstawowej listy IEC, parsuje listę i wysyła do warstwy serwerowej SigFox, informację z wartością rejestru (A+) oraz (A-). Z powodu ograniczeń technologicznych związanych m.in z długością ramek nie ma możliwości transmisji przeźroczystej żadnego protokołu licznikowego w tym IEC, DLMS lub DLMS/HLS.

11 Testy NB-IoT w Orange Labs Testy zostały przeprowadzone w środowisku laboratoryjnym Orange Labs, gdzie została udostępniona sieć LTE NB-IoT na paśmie 800 MHz (B20)

12 NB IoT Operator Orange udostępnia w ramach technologii LTE NB-IoT pełną infrastrukturę IP do komunikacji między urządzeniami i serwerami aplikacyjnymi. W odróżnieniu od technologii SigFox i LoRaWAN dostarczana jest warstwa sieci i adresacji. W związku z tym jesteśmy w stanie wykorzystać możliwość bezpośredniej komunikacji pomiędzy urządzeniami IP a serwerem VPS działającym w ramach infrastruktury DigitalOcean.

13 Prace w ramach Etapu 3 - LoRaWAN Do testów wykorzystany został komputer z niezależnym modułem LoRaWAN oraz modułem GNSS, pozwalającym na dokładny pomiar lokalizacji urządzenia. Oprogramowanie zainstalowane na komputerze pozwoliło na testy komunikacji LoRaWAN z serwerem sieciowym jak i lokalizację urządzenia końcowego dzięki czemu zostały wykonane pomiary i określone zasięgi od stacji bazowej. Na dachu budynku A Tauron Dystrybucja Pomiary w Tarnowie przy ul. Kryształowej 1/3 w Tarnowie został zamontowany Gateway LoRaWAN

14 Prace w ramach etapu 3 - LoRaWAN W przypadku sieci LoRaWAN po zbudowaniu i uruchomieniu prywatnej sieci udało się z dużą dokładnością określić maksymalną odległość prawidłowej komunikacji od gateway a zainstalowanego na dachu siedziby TAURON Dystrybucja Pomiary.

15 Prace w ramach Etapu 3 - SigFOX Do testów wykorzystany został komputer z niezależnym modułem SigFox oraz modułem GNSS, pozwalającym na dokładny pomiar lokalizacji urządzenia. Oprogramowanie zainstalowane na komputerze pozwoliło na testy komunikacji SigFox z warstwą serwerową jak i lokalizację urządzenia końcowego dzięki czemu można było dokładnie określić zasięg od stacji bazowej na podstawie współrzędnych GPS. Moduły Telit LE S umożliwiają wysyłanie danych z dużą częstotliwością tj. 10s co pozwoliło nam dokładny pomiar zasięgów dla każdej ze stacji bazowych.

16 Prace w ramach etapu 3 - SigFOX Tarnów Tarnów, ul. Śniadeckich 5

17 Prace w ramach Etapu 3 - SigFOX Warszawa

18 Prace w ramach etapu 3 - SigFOX Dwie iteracje testów technologii SigFox jasno wskazują na to, że bardzo duże znaczenie na propagację sygnału radiowego ma umiejscowienie stacji bazowej na odpowiedniej wysokości względem terenu. Pierwsza iteracja testów w Warszawie umożliwiła transmisję danych z odległości ponad 23 kilometrów. W tym przypadku stacja zamontowana była na wysokości 150 metrów nad poziomem terenu. Udało się uzyskać odległości rzędu kilkunastu kilometrów ze stacji zamontowanych na poziomie kilkudziesięciu metrów. Porównując to do stacji BTS zamontowanej na ok 10 metrach w Tarnowie gdzie maksymalne zasięgi wynosiły ponad 7 kilometrów łatwo można wywnioskować, że technologia SigFox nadaje się do budowy dalekozasięgowych sieci, ale trzeba uwzględnić instalację stacji bazowych na punktach wysokościowych tj. komórkowe stacje bazowe, kominy, maszty czy wysokie budynki. W przypadku drugiej iteracji testów w Tarnowie na słabsze zasięgi miało również ukształtowanie terenu, które jest dużo bardziej zróżnicowane niż w przypadku Warszawy.

19 Prace w ramach Etapu 3 NB IoT Sieć NB-IoT udostępniona została przez laboratorium Orange Labs. Do testów zostały wykorzystane możliwości konfiguracji stacji bazowej NB-IoT pozwalającej na symulację niekorzystnych warunków transmisji co pozwoliło z dużym przybliżeniem określić ewentualne problemy przy większych odległościach radiowych. W tym scenariuszu został wykorzystany do testów zestaw ewaluacyjny firmy Telit EVK ME910C1-E2 pozwalający na lokalną transmisję danych za pomocą interfejsu RS232 i USB do sieci NB-IoT.

20 Prace w ramach Etapu 3 NB IoT Testy wykazały, że transmisja danych jest realizowana poprawnie do poziomu sygnału ok - 105dBm / -111 dbm co odpowiada realizacji połączenia z odległości około: - 10 km od stacji dla terenów niezurbanizowanych i urządzeń zewnętrznych - 3,5 km od stacji dla terenów niezurbanizowanych dla urządzeń wewnętrznych - 8 km od stacji dla terenów miejskich dla urządzeń zewnętrznych - 1,5 km od stacji dla terenów miejskich dla urządzeń wewnętrznych - 5,2 km od stacji dla terenów podmiejskich dla urządzeń zewnętrznych

21 Prace w ramach Etapu 3 NB IoT Powyżej poziomu -111dBm rejestracja do sieci była możliwa ale na skutek dużej ilości retransmisji nie było możliwe skuteczne przesłanie pliku przez FTP. Rejestracja do sieci została zerwana przy poziomie ok -125/-130dBm. Podsumowując test technologii LTE NB-IoT opierający się na modelu HATA wykazał, że jest to technologia pozwalająca operatorom komórkowym na budowę sieci transmisyjnej pozwalającej na realną transmisję danych od kilkunastu kilobajtów do kilku kilobajtów w warunkach laboratoryjnych dla odległości od 1,5 km do 10km. Pozwala to na transmisję niewielkich paczek danych w modelu PUSH. Trzeba wziąć pod uwagę, że rzeczywista wydajność i przepustowość w komercyjnej sieci będzie jeszcze mniejsza. Zakładając limit pasma 180kHz i możliwość transmisji danych przez 12 urządzeń w tym samym momencie w ramach pojedynczej komórki, technologia LTE NB-IoT idealnie nadaje się do transmisji krótkich pakietów danych o maksymalnej wielkości kilkuset bajtów. Transmisja ciągła tj. TCP/IP/DLMS mogła by całkowicie zablokować możliwość komunikacji dla innych urządzeń w ramach jednej komórki.

22 Podsumowanie technologii

23 Podsumowanie technologii Po analizie wszystkich protokołów, architektury systemów odczytowych i potrzeb energetyki można wskazać, że powyższe technologie nadają się do budowy infrastruktury zdalnej komunikacji z licznikami energii elektrycznej i nie tylko. Należy jednak zawszy być świadomym ograniczeń każdej z nich w szczególności w kontekście możliwości obsługi funkcjonalnej liczników.