7.2.1 ZigBee
Siguiendo los protocolos de pruebas descritos previamente: Con la primera prueba se obtuvieron los siguientes resultados:
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Figura 26. Prueba de distancia Zigbee, potencia 0dBm.
Figura 28. Prueba de distancia ZigBee, potencia de transmisión 4dBm
Las dimensiones típicas de una manzana son 80mx80m. Con base en esta información y observando las gráficas anteriores, se decide seleccionar una potencia de transmisión de 0dBm. (Un concentrador no podría cubrir dos zonas ni aumentando considerablemente la potencia).
Con esta restricción, el número de concentradores a implementar va a ser igual a la cantidad total de manzanas.
Posteriormente se realizó la prueba de tasa de transmisión máxima de datos, con el siguiente resultado:
𝑇ℎ(𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜) =100 ∗ 77 𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠
0.508736 𝑠 = 15.135𝐾𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠/𝑠
Luego, se decidió hallar las latencias de implementando cada uno de los esquemas definidos para cada aplicación. Estos se comparan con los requeridos según [13]. En cada gráfica se presentan la latencia registrada respecto al número de medidor.
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Figura 29. Latencias vs Número del medidor Zigbee, aplicación de consumo controlada por el concentrador.
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Figura 33. Latencias vs Número del medidor Zigbee, reporte de potencia para la aplicación de "load shifting" En la siguiente tabla se resumen los resultados obtenidos respecto a las latencias. Estos se comparan con los valores definidos como requerimientos según [13].
Tabla 16. Comparación valore obtenidos vs requerimientos por aplicación. Zigbee.
Aplicación Promedio Desviación
estándar Mínimo tiempo de recolección Mínimo Tiempo de muestreo permitido Máxima latencia permitida Consumo 1 22.2766 ms 1.8450 ms 5.745 segundos 15 minutos 15 minutos Consumo 2 4.1213 ms 0.7228 ms 1.063 segundos 15 minutos 15 minutos Notificación de Eventos 3.1636 ms 0.7228 ms - - 5 segundos Ejecución acciones Remotas 21.0595 ms 1.8451 ms - - 30 segundos Load Shifting 21.3470 ms 1.8448 ms 5.507 segundos 60 segundos 60 segundos
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Observando la tabla anterior se puede validar la utilización de ZigBee para estas aplicaciones de la red AMI. Respecto a las dos formas de consumo se puede apreciar que la comunicación por el medidor, sin necesidad de conexión previa, refleja una disminución de aproximadamente el 80% de tiempo que se demora el reporte. Sin embargo, se resalta que ambos responden de manera satisfactoria a los requerimientos según [13].Con la prueba 4, se obtuvo el siguiente resultado:
Figura 34. Probabilidad de recepción de paquetes vs vecindad entre zonas
Para evitar pérdidas de información por motivo de colisiones, sería necesario transmitir en canales diferentes para zonas contiguas. A fin de obtener el mínimo de canales necesarios para implementar en el área de estudio, mediante un algoritmo se asigna los canales con base en la ubicación de las zonas con la única restricción de no asignar el mismo canal para zonas con vecindad de 1. Su secuencia lógica es la siguiente:
1: Se crea una matriz de ceros de 4x4 para guardar el número del canal de transmisión según la zona.
2: Se obtiene el primer elemento de la matriz.
3: Se inicializa el número del canal de transmisión en 1.
4: Se averigua el número de zonas aledañas que tienen el mismo canal de transmisión del elemento actual de la matriz.
5: Si el número de zonas aledañas con canal igual a él es 0, se le asigna ese canal de transmisión, se pasa al siguiente elemento y se repite el mismo proceso desde 3:
6: Si el número de zonas aledañas con turno igual es mayor a 0, se suma uno al número del canal de transmisión y se pasa a 4:
A continuación, se muestra un ejemplo de cómo sería su distribución para 16 zonas ubicadas de manera contigua en una matriz de 4x4.
Figura 35. Número de canal de transmisión por zonas
7.2.2 LoRaWAN-Internet
De acuerdo con el protocolo de pruebas anteriormente descrito, se obtuvieron los siguientes resultados para cada una.
Distancia máxima de cobertura del Gateway:
Como se observa en la gráfica, la probabilidad de recepción comienza a ser igual a cero cuando el medidor está a una distancia de aproximadamente 2 kilómetros. Esto se puede validar con los cálculos realizados manualmente que se encuentran en la tabla 13 dado que, según los resultados teóricos, la potencia de recepción será menor a la sensitividad estipulada cuando el medidor está a una distancia entre 1800 m y 2000m. Por esta razón y teniendo en cuenta el escenario base planteado, se observa que solo es necesario instalar un Gateway para la zona.
De acuerdo con el escenario base planteado, se observa que el radio de cobertura del Gateway es mucho mayor al requerido. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la cantidad de medidores es muy alta dentro de este radio de cobertura.
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Figura 36. Prueba distancia LoRaWan, potencia de transmisión 0dBm.
Relación de factor de ensanchamiento frente a retardo de envío:
Los resultados obtenidos arrojan que para un factor de ensanchamiento mayor existe una mayor latencia o tiempo de paquete en el aire. Por consiguiente, para un factor de ensanchamiento igual a 7, se obtiene una latencia mínima frente a los otros casos. Esto concuerda con el caso teórico, puesto que un factor de ensanchamiento menor significa que se transmitirá un símbolo en un menor tiempo y por tanto la demora en el envío es menor. En la tabla se observan los resultados obtenidos.
Tabla 17. Resultados prueba relación SF vs Latencia. Factor de Ensanchamiento Latencia (segundos) 12 1.48275 11 0.823297 10 0.411649 9 0.226305 8 0.123393 7 0.0668167
Máxima tasa de transferencia de datos:
Los resultados para esta prueba se resumen en la siguiente ecuación: 𝑇ℎ(𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜) =100 ∗ 76 𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠
1.31 𝑠 = 5.082 𝐾𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠/𝑠
Claramente este valor es relativamente bajo comparado con la anterior tecnología. Sin embargo, el hecho de tener una tasa de transferencia de datos máxima muy baja, no implica que no cumpla con una calidad de servicio adecuada. Siendo más específico, el caso de las redes AMI no requieren de una tasa de transferencia de datos muy alta, dado que el envío de mensajes se hace esporádicamente y no implica una velocidad de respuesta considerable.
Latencias para los servicios propuestos:
A continuación, se observan los resultados de cada una de las pruebas para cada uno de los servicios planteados. Estos se comparan con los requeridos según [13]. En cada gráfica se presentan la latencia registrada respecto al número de medidor seguida de una tabla donde se compara el resultado obtenido con la latencia requerida según [13].
Resultados de la latencia servicio reporte de consumo controlado por el centro de gestión y operación:
Como se observa en la gráfica, el tiempo de latencia es el mismo para todos los medidores lo que permite llegar a la conclusión que este valor no varía significativamente con la distancia, en el caso particular de LoRaWAN. La latencia promedio es de 0.762911 segundos que está por debajo de la latencia máxima para este servicio en particular que es de 15 minutos.
Figura 37. Latencias vs número medidor LoRaWAN, reporte de consumo controlado por el CGO
Resultados de la latencia servicio reporte de consumo controlado por el medidor:
De igual forma que en el caso anterior, se observa un mismo valor como resultado. Sin embargo, para este caso específico, el tiempo de latencia es de 0.4667 segundos que es
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menor a la aplicación anterior puesto que, el total de paquetes en el intercambio de información del servicio es menor al del servicio de reporte controlado por el CGO.Figura 38. . Latencias vs número medidor LoRaWAN, reporte de consumo desde el medidor
Resultados de la latencia servicio reporte de un evento en el medidor:
En la gráfica se observa que el valor obtenido es 0.4667 segundos lo que equivale al tiempo de la prueba anterior. Esto se debe a que el cambio de paquetes es el mismo, con la única excepción que el contenido de los paquetes varía dependiendo de la aplicación. Se observa que es menor 5 segundos que según [13] es la latencia máxima que se debe permitir para este servicio en especial.
Figura 39. . Latencias vs número medidor LoRaWAN, reporte de de eventos desde el medidor
Resultados de la latencia servicio ejecución de acciones de manera remota y reporte de consumo para load Shifting:
Dado que la secuencia de paquetes es la misma que en el caso del servicio de reporte controlado por el Gateway, el tiempo de latencia es de 0.762911 segundos. Para el caso de ejecución de acciones de manera remota, este tiempo está acorde, dado que el tiempo de muestreo debe ser cada 30 segundos máximo. Sin embargo, para load shifting, se necesita recolectar la información de todos los medidores en menos de 60 segundos y en este caso la duración es mucho mayor a este valor.
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Figura 40. Latencias vs número del medidor LoRaWAN, para aplicaciones de load Shifting y ejecución de acciones de manera remota.
En la siguiente tabla se resumen los resultados obtenidos para los respectivos valores de latencias para cada una de las aplicaciones. Estos se comparan con los valores definidos como requerimientos según [13].
Tabla 18.Comparación valores obtenidos vs requerimientos por aplicación para LoRaWAN.
Aplicación Promedio Mínimo tiempo
de recolección (5160 medidores) Mínimo Tiempo de muestreo permitido Máxima latencia permitida
Consumo 1 0.762911 ms 65.6 minutos 15 minutos 15 minutos Consumo 2 0.4667 ms 40.13 minutos 15 minutos 15
minutos Notificación de Eventos 0.4667 ms - - 5 segundos Ejecución acciones Remotas 0.762911 ms - - 30 segundos Load Shifting 0.762911 ms 65.6 minutos 60 segundos 60 segundos
Observando la tabla anterior se puede validar la implementación de LoRaWAN para cada uno de los servicios planteados. Para los servicios de reporte de consumo, se observa que el mínimo tiempo requerido para la cantidad de medidores asignada, es mucho mayor al
requerido, por tanto, se debe buscar una nueva alternativa de diseño de la red con el fin de permitir un adecuado funcionamiento para cumplir el servicio específico. Para los servicios de notificación de eventos y ejecución de acciones remotamente, el valor de latencia es menor al requerido, así que estos servicios si se pueden implementar de acuerdo con las características de la red propuesta.