我们提出的一些正在进行的标准化工作在随后M2M通信应用程序的机器对机器(M2M)智能电网的通信。我们分析和讨论使M2M技术和现在的通信挑战的概述和研究机会专注于无线传感器网络及其应用在智能电网环境下。
智能电网(SG)网络的紧密集成的特点是灵活和安全通信网络与新能源管理技术需要大量的传感器和执行器节点。通信网络不仅会促进先进的控制和监控,但也支持扩展生成的参与,传播,营销和服务提供新的感兴趣。
为了实现智能电力网络,机器对机器(M2M)通信被认为是作为SG的构建块来部署一个大规模的监视和控制的基础设施,从而带来巨大的机会的信息和通信技术(ICT)的行业。例如,智能计量M2M可以方便灵活的需求管理,智能电表(SM)是一个双向沟通设备措施能源(电、气、水、或热)消费和传达这些信息通过一些通讯手段回当地的效用。与附近的实时信息例如基于网格中的能量流,不同级别的关税可以计算和对消费者提供,消费者可以更聪明和更负责任的选择。SM因此产生的信息就像“胶水”允许各种组件的SG有效地一起工作。还有各种大规模无线传感器和致动器网络(WSAN)部署在SG(如电力系统一代,或家庭应用程序)来执行监视任务,例如[
目前各种标准化活动与有意识的努力M2M通信提供一套统一的欧洲标准。的挑战和机遇,智能计量和智能电网通信网络是重要的,包括互操作性、可伸缩的网络互连,可伸缩的覆盖网络,并与潜在的更大的数字家庭网络设备和电器。安全和隐私方面也是非常重要的考虑到大量的私人数据,可以通过智能计量暴露。
在本文中,我们讨论SG M2M通信的应用程序。我们简介M2M标准化工作部分
M2M无疑是各种异构电子、通信和软件技术。M2M网络的通用体系结构如那些被指定在ETSI TC(技术委员会)M2M如图
M2M网络的体系结构。
欧洲电信标准协会(ETSI)技术委员会正在开发M2M通信标准。该集团的目标是提供一个端到端视图M2M标准化,并将密切配合ETSI下一代网络的活动,以及3 gpp标准的工作计划为移动通信技术。ETSI TC M2M的三个欧洲标准化组织是一个由欧盟委员会(European Commission)发布了一个命令在智能计量(M / 441)。TC M2M协作域回答米/ 441包括提供仪表数据库通过最好的网络基础设施(细胞或固定)和提供端到端服务能力,有三个目标:设备(智能电表)结束时,集中器/网关,和服务平台。此外,智能计量应用程序概要文件将被指定包括服务功能。图
M441责任CEN / CENELEC ETSI之间的分裂。
的联络人还建立了与其他标准化机构,例如,岑,CENELEC, dlm UA,无线个域网联盟和其他ETSI TCs。
除了ETSI, 3 gpp也活跃在M2M技术相关的活动。在3 gpp M2M也被称为手写体(MTC)的优化进行了工作访问和核心网络基础设施,允许高效的M2M服务交付。3 gpp SA1已经完成了技术报告TR 2008年的22.868在GSM和UMTS“促进M2M通信。“他们已经开始一个新的工作项网络改善矿渣MTC,为了收集需求减少支持M2M服务的运营成本。3 gpp SA1服务正在为3 g系统的服务和功能。在释放10中,他们产生了“机器类型通信服务需求(MTC)阶段1。“3 gpp SA 3开始寻找矿渣mtc的安全方面。
IETF创造了一组传感器技术和智能对象有关的活动如6 lowpan和辊(在低功耗路由和有损网络)。这些努力旨在将传感器和M2M的互联网协议为SG构建一个监视基础设施所需的设备。工作组辊是关注RPL (LLNs路由协议)的低功耗和有损网络(LLNs)网络中的节点很多嵌入式设备有限的权力,内存和处理资源。这些节点相互连接内部IEEE 802.15.4,提供服务等各种无线技术蓝牙、低功耗无线网络、电力线通信链路。工作的重点是提供一个端到端解决方案以避免non-interoperable ip网络问题。
M2M系统能够提供的各种功能,它被认为是一个实现SG ICT基础的解决方案。在本部分中,首先,我们看看SG的基本架构以及如何M2M架构与这有关。这是紧随其后的是讨论两个重要M2M场景和探索WSAN的相关应用。这样的理解是至关重要的,当更详细的功能和技术要求需要开发。特别是,我们看看如何WSAN发挥关键部分交付M2M应用程序在一个SG上下文。
图
ETSI董事会对智能电网架构包括M2M网络(改编自
最近,WSAN一直在流行成为一种很有前途的技术,可以提高当今电力系统的各个方面,包括代、交付和利用率。这是由于网络的协作和低成本的性质(也不需要构建一个复杂的和昂贵的基础设施)。同时WSAN也有一些固有的优势其他传统的通信技术,如宽的覆盖范围和适应性变化的网络环境。然而,不同的环境造成不同的挑战WSAN;例如在恶劣和复杂电力系统环境中,WSAN交流SG应用其通信可靠性的问题上面临着重大挑战,鲁棒性和容错。在本节中,我们研究WSAN的角色在不同的M2M应用程序/场景在SG和讨论不同的特征和挑战。
无线家庭网络(或家庭区域网络(汉斯))现在变得越来越流行,已经从电脑包括所有不同类型的电子设备,包括家电和家庭娱乐系统,如电视和音频。一般应用包括照明控制、加热、通风和空调(HVAC)控制需要WSAN支持监测也作为无线通信基础设施。此外,他们还提供了一种检测波动和停电。它还允许用户远程控制仪表(如打开和关闭)使节约成本,并防止电力偷窃。其他应用包括需求反应和电动汽车充电。
智能建筑等办公室依靠一组技术提高能源效率和用户的舒适以及监控和安全的建筑。M2M技术和WSAN在建筑管理系统用于照明,空调,检测空荡荡的办公室,然后关掉设备(如显示器、和安全与访问系统。
M2M的主要要求设备在家庭和办公环境是他们非常低功耗,许多设备可以最后几年,无需更换电池。与广泛的家庭/办公室设备,需要网络,需要支持多个不同的物理链路。在所有不同的网络技术,以太网,802.15.4、wi - fi、蓝牙、电力线通信,和细胞都有一个地方在家里网络环境。家M2M网络必须支持的所有不同的物理链接通过M2M网关和协议栈。网关还需要能够收集信息的处理和能源资源可用M2M设备(通常配备有限的资源)和决定如何传播数据的方式可以优化资源。在一般情况下,网关的功能包括路由、网络地址转换(NAT),认证,资源分配,等等。其他更复杂的服务或功能TC M2M M2M网关是正在进行的工作的处理网关可达性,处理和存储库,通信,远程实体管理、安全、历史和数据保留,事务管理、互相配合代理,经纪和补偿。智能建筑系统与WSAN预计也将学习从建筑环境和适应相应的监测和控制功能。
SG是新兴新一代电力系统,提供了提高效率、可靠性和安全通过允许光滑的替代能源的集成以及自动化控制和现代通信技术(
WSAN扮演一个重要的角色在这个领域由于其低成本、灵活、合作自然聚合的情报。他们有能力监测设备的关键参数在SG和提供一个及时的反馈使SG系统响应不断变化的条件。这使得SG和自愈功能函数在一个可靠的方法。传感器的作用在SG配电系统的各个部分覆盖广泛的传动系统,变电站和配电系统。一个WSAN-based广域网(WAN)电能变电站监控系统中起着重要的作用在确保电源子系统的健康(变压器、断路器等)和输电线路,和改善电力系统的可观测性和可靠性
为无线传感器网络提供了功能自动抄表(WAMR)电力分配系统的运营成本降低的好处,网上定价、资产保护和远程监控。WAMR的挑战是可靠的电力公司和客户之间的双向通信的智能计量设备。
的一个主要角色WSAN的配电系统电压质量管理(VQM)。非线性时变负荷的增长由于各种现有的和新的应用程序,电压信号的失真和干扰越来越重要的问题。在VQM WSAN,理想情况下,每个节点可以评估的性能监控的信息网站,通过使用本地信息的计算,还全球监控网格部分的性能通过使用当地的相邻节点之间的信息交流。随着这些功能,节点可以检测当地电压质量异常(
一些WSAN的需求解决方案在SG配电系统如下。高度可伸缩的:网络应该能够扩展到成千上万的设备,许多可能同时沟通。可靠性高:很多电力自动化系统预计将保持良好的可靠性,一旦安装至少20 - 30年。其他要求包括能够处理范围和阻塞问题的恶劣的环境在配电系统中可能影响链路质量和范围。此外,可能会有各种硬件和基础设施阻碍WSAN的沟通。
其他M2M应用程序涵盖了广泛的领域从销售和付款,车队管理,遥测,e-health应用,安全和监视。
短距离无线技术(SRWT)是无处不在的WSAN的连接变得越来越流行的各种仪表,监视和测量系统。M2M通信、上下文中的SRWT方面起着关键作用M2M通信的设备很少或根本没有人工干预。这样的设备将在各种环境中增殖与家庭安全等不同的应用程序启动并运行传感、照明控制和健康监测。有很多挑战等设计M2M网络将在后面的小节中描述。在本节中,我们调查的各种潜在SRWT M2M网络和各自的特点。在总结如表所示
M2M短距离无线技术(改编自
| 802.15.4无线个域网/ 6 lowpan) | 蓝牙/蓝牙低能量(LE) | 802.11 (wi - fi) | |
|---|---|---|---|
| 最大数据速率 | 250 kb /秒 | 3 Mb / s(增强) |
22 Mb / s(802.11克) |
|
|
|||
| 室内范围 | 10 m-20米 | 1米、10米和100米类、5 - 15米(LE) | 45米 |
|
|
|||
| 权力 | 低 | 介质低(LE) | 高 |
|
|
|||
| 电池寿命 | 年 | 天年(LE) | 小时 |
|
|
|||
| 频带 | 2.4 GHz |
2.4 GHz | 2.4 GHz, 3.6 GHz和5 GHz |
|
|
|||
| 信道访问 | 基于CSMA / CA(非指标)或超帧结构(基于信标,non-contention) | 跳频或CSMA / CA | CSMA / CA |
|
|
|||
| 应用程序 | 智能电器 | 的声音 | 网络和广域网之间客户前提(M2M区域网络) |
| 智能电表 | 智能电表 | ||
| 照明控制 | 数据传输 | 数字音频/语音 | |
| 家庭安全 | 游戏控制 | ||
| 办公自动化 | 健康监测(LE) | ||
| 电脑周边(LE) | |||
M2M网络的高效路由机制决定如何运输高效数据从一端到另一端。有各种挑战现有的路由协议应用到这些M2M网络由于一些固有特点的网络等
长时间的睡眠周期
低功率节点
无线传播环境的变化
拓扑的变化(移动的节点,节点处于睡眠模式)。
许多低功耗协议(如无线个域网使用AODV协议RFC 3561 (
在文献中提出另一种解决方案是
这个IETF RPL协议将加强先进的计量基础设施(网络智能电表)和IP路由特点如动态发现的网络路径和目标,适应逻辑网络拓扑变化的能力,设备故障或网络中断、独立于数据链路层技术,支持高可用性和负载平衡。在[
讨论了各种场景及其在SG WSAN的挑战,在这一节中,我们详细说明各种话题的研究兴趣,表明进一步的研究潜力巨大。
网关中扮演一个重要的角色在连接各种网络设备和传感器在应用程序场景。需要满足不同的网关设备的特点。例如在家庭环境中,会有设备,有不同的要求,距离、数据率和运行不同的通信协议。选择其他问题是安全能力,沟通能力,等等。提出了软件定义无线电技术(
这是一个常见的问题等某些WSANs SG这些操作在电力系统环境。WSAN可能受到强射频干扰,以及恶劣的自然环境腐蚀和高湿度等。这些可能会导致网络拓扑结构和无线连接改变当某些节点失败或不适合测量得出好的结论。无线信道建模和链接质量描述的一些重要的工作(
为了实现有效的某些应用程序优先级等关键需求来满足那些属于保护和控制功能,必须能够支持WSAN的服务质量(QoS)。例如,电力系统警报通知需要及时关注因此需要实时通信;其他定期报告活动需要可靠的通信。
WSAN的感知水平的干扰和误比特率影响每个无线链接的实现能力(
所需的资源在一个传感器节点可以从应用程序到应用程序在能源方面,记忆,以及处理能力。一般来说,有限的电池供电,是主要的资源约束,需要各种通信协议WSAN提供高能源效率。节能协议如路由解决方案需要WSAN的地方通常是将函数在年无需更换电池。路由技术还必须考虑长期的睡眠周期,改变无线电环境中,拓扑结构的变化,有限的处理能力。
安全WSAN的SG是一个重要的要求,以确保整个系统功能顺利和安全从任何类型的攻击和入侵。这涵盖了广泛的解决方案针对拒绝服务等威胁,偷听传输、路由攻击,洪水对电厂安全、数据中心安全、广域网安全、身份管理、访问控制、等等。传统中央集权的网络安全模型并不直接适用于高度分散和低成本设备M2M通信网络由于需要分散和分散的方法。
WSAN的传感器节点的拓扑变化由于睡眠模式的时间表,流动性或节点故障,需要自我配置、自我组织,以确保网络的正常功能。因此,故障诊断是必不可少的硬件以及软件的基础设施。失效分析或预测维护确保系统有能力识别失败(协助快速失败补救措施),预测和从故障恢复/失败。智能诊断方法如过滤和原因与警报相关的质量信息,有助于快速理解断层的性质和局部的故障。各种机器学习等技术提出了人工神经网络在
SG WSAN的大规模发展,有大量的信息收集。需要智能结合或聚合,保险丝或推断出这些数据,以便得出结论需要什么样的行动或者如何配置系统中的参数优化功能。提高能源效率的另一个好处是更好的匹配的供给和需求。例如,作者(
可靠性等多个层面能够解决通信链路级和系统级。系统需要能够应对恶劣的环境,自适应地计算出最好的办法应对节点故障和链接的变化。
先进的应用程序编程接口(api)有助于使实现优化算法和高效的管理和配置网络,开放接口启用独立软件供应商,设备制造和电信运营商实现他们的服务。开放api提供的第三方没有直接相关的原始设备制造商开发的软件组件可以添加或增强系统的功能。另一方面,智能能源管理解决方案需要访问更多的信息从不同的服务提供者和理想的设备由不同厂商实现。应该可以使用这些信息,提出了一个可用的格式来感兴趣。此外,测量的时间和特定的配置和控制也动态场景的关键。因为支持不同技术和需要某种程度的合作行政边界,专有或广泛简化接口将在这些场景是不够的。这种情况下可以提高标准的通用API定义覆盖方法和属性相关的功能,测量,和配置。这种api的设计应该是技术无关,轻量级和面向未来的。
大规模的部署M2M提供网络和它的各种应用程序,需要有一种方法来控制和管理这些设备以及工作数据或提供的数据有效地为不同的目的。云计算被视为一个潜在的技术用于M2M计算。云计算,结合虚拟化通过结合网络,信息和通信技术,以及各种资源(硬件、开发平台),让它更容易实现M2M应用程序作为服务(通过云)几乎。这允许灵活的IT管理和数据共享平台和资源可以动态地重新配置根据可变负荷允许优化资源利用率。例如,商用M2M应用云平台是塞拉无线AirVantage云平台(
多个通信技术和标准被部署到支持通信SG的不同部分。例如,蓝牙可以用于仪表和终端用户设备之间的通信。手,无线个域网和IEEE 802.11可用于智能电表在家里和局域网的接口。为了管理和支持所有这些不同的通信,需要在SG multi-radio支持功能。同时,无线电频谱稀缺是一个越来越重要的问题由于电信服务行业的快速增长。管理频谱效率的提议的方法之一是使用空置的电视频谱等解决方案,也被称为空白,提出了由联邦通信委员会(FCC)。这不再是静态频谱分配情况下传统的方式,需要有一个有效的二次频谱管理策略。公司如NEUL [
有各种M2M协议研究范围等可靠的(即delivery-guaranteed),后,rate-efficient和节能协议设计。节能路由和传输协议等协议需要WSAN的地方通常是将函数在年无需更换电池。路由技术还必须考虑长期的睡眠周期,无线环境的变化,变化的拓扑结构,以及有限的处理能力。现有的主要传输协议,TCP / IP是低效的M2M交通数据量有冗余和开销较低,因此并不是节能M2M通信。因此,需要探索M2M通信协议设计。
作为一个M2M网络由一个互连的设备和系统,需要设计网络M2M通信的成本降到最低的同时,仍满足QoS要求。的网关,支持的M2M设备数量在一个集群,等等的一些相关主题(
没有疑问,M2M通信中发挥着重要作用实现下一代智能电气系统、SG。在本文中,我们有了各种持续的M2M standardisations-related活动显示M2M的发展势头成为一种重要的ICT SG的解决方案。我们强调了工作进行组织如ETSI M2M, 3 gpp和IETF卷吸引关注的主题感兴趣的不同参与者之间在SG M2M的画面。接下来,我们研究的挑战和要求M2M应用程序/ SG和WSAN的场景。然后,我们专注于M2M通信的技术细节,涉及广泛的话题,M2M体系结构和拓扑结构,各种短距离无线技术和网络和协议。有广泛讨论上面的话题,我们提供我们的观点在各种研究这个话题的机会。我们相信数据处理、安全性、可靠性、中间件和api, M2M计算平台,multiradio支持和频谱效率、M2M协议和优化网络设计是一些重要的和有趣的话题,可以考虑在未来的工作。
尽管全球智能电网部署的路线图还不清楚,基本上可以肯定的是,未来的智能能源网络由先进的ICT技术授权不仅是当前的互联网,也改变人们的生活方式基本类似于互联网。在一个更大的规模,物联网的概念将连接数以万亿计的对象和整个世界将会变成一个非常大规模的无线传感器网络。是M2M通信这一愿景的支撑技术,因此,我们设想,M2M通信将是一个令人兴奋的研究领域工程师多年来。