La presente investigación es una extensión del artículo titulado “Optimal Communications for Smart Measurement of Electric Energy Reusing Cellular Networks” (Ruiz, Masache y Inga, 2018), presentado previamente en la Tercera Conferencia Internacional INCISCOS 2018 celebrada en la ciudad de Quito, Ecuador.
La red eléctrica inteligente comunica a numerosos sistemas con el propósito de brindar altos parámetros de seguridad, confiabilidad y disponibilidad empleando de manera eficiente los recursos necesarios para suministrar energía eléctrica sustentable respondiendo al crecimiento de la demanda.
La infraestructura de telecomunicaciones se nombran de acuerdo al área geográfica que suministra servicio, los mismos son conocidos como:
La red HAN presenta gran cantidad de dispositivos con comunicaciones y topologías heterogéneas (Maldonado, 2017) generando grandes volúmenes de información por lo que es necesario utilizar técnicas de reconstrucción como MapReduce (Inga Ortega, Inga, Correa y Hincapié, 2018). Una parte esencial de la red eléctrica inteligente es la infraestructura de medición avanzada, la misma requiere de equipos robustos que incorporan comunicaciones bidireccionales entre las empresas comercializadoras y los abonados, la gran cantidad de datos de los abonados del sector eléctrico son almacenados por las empresas de distribución por lo que es necesario una estructura de almacenamiento para Big Data (Moscoso Zea, 2012). La infraestructura de comunicación desplegada sobre la red de transporte eléctrico (Ruiz, Masache y Domínguez, 2018) permiten identificar y mitigar las fallas producidas de forma inmediata (Carrión, González y López, 2017) (Matos y Sanchez, 2016).
2. Parámetros de Diseño de la Infraestructura de Red
La integración de infraestructura de telecomunicaciones al sistema eléctrico permite el flujo de información entre todos los actores del sector eléctrico. AMI provee medición en tiempo real, detección de fallas y la participación del usuario. La información colectada por los medidores es enviada a los sistemas de gestión de datos de medidores MDMS (por su sigla en inglés). Los sistemas de gestión de datos brindan almacenamiento y procesamiento de información(Arciniegas, Imbajoa y Revelo, 2017).
Para el diseño de una red inalámbrica es necesario tomar en cuenta requerimientos como cobertura, capacidad, latencia y seguridad con la finalidad de obtener una red de comunicación inalámbrica eficiente. Estándares inalámbricos como IEEE 802.11, IEEE 802.15.4, 3G/LTE y IEEE 802.16 son utilizados para dar servicio a medición inteligente.
La Tabla 1 muestra las características de cada tecnología celular empleada para la transmisión de información de los medidores inteligentes hacia los sistemas de gestión de información.
Tabla 1
Tecnologías celulares.
Las redes celulares cubren grandes extensiones geográficas con gran eficiencia en el uso del espectro electromagnético, reutilizando los canales de radio y reasignándolos a varias celdas ubicadas en diferentes áreas de cobertura conocidas como celdas co-canal. La interferencia entre celdas es amortiguada por la separación co-canal en las celdas. Cada celda está controlada por un transductor llamado estación base por sus siglas BS (Zhang, Liu y Zeng, 2017).
La mayor infraestructura celular desplegada es conocida como 3G, proporciona comunicaciones inalámbricas de alta velocidad para aplicaciones multimedia, datos, video y voz. Entre las principales características se estableció 144 kbps de velocidad de datos para usuarios que se movilizan a altas velocidades, 384 kbps de velocidad de datos para usuarios a baja movilidad y 2 Mbps para uso de oficina(Ruiz, 2016).
La Figura 2 muestra la topología de red celular sobre la cual se plantearán los diseños de optimización de asignación de recursos.
Figura. 2:
Infraestructura Celular.
Actualmente se están desplegando comunicaciones móviles de cuarta generación y quinta generación conocidas como 4G o LTE-Advanced y 5G. Las redes celulares de cuarta generación ofrecen acceso móvil a internet de banda ancha para teléfonos inteligentes y otros dispositivos móviles. La tecnología 4G se refiere a las IMT-Avanzadas (Telecomunicaciones Móviles Internacionales-Avanzadas), definida por el ITU-R. Un sistema celular IMT-Advanced debe tener velocidades de datos pico de hasta aproximadamente 100 Mbps para alta movilidad y aproximadamente 1Gbps para baja movilidad, traspasos suaves a través de redes heterogéneas y la capacidad para ofrecer alta calidad de servicio para el soporte multimedia de última generación (Ekpenyong, Isabona y Isong, 2016).
La cantidad de recursos dedicados para establecer las conexiones entre los medidores, concentradores y radio bases se ve afectada debido a la cantidad de dispositivos a los que se debe dar servicio evitando colisiones y a los intentos de conexión realizados por las peticiones de retransmisión. Estos problemas afectan al tiempo de espera para acceder a los canales de control y de datos.
La reutilización de frecuencias permite aumentar la capacidad del sistema celular utilizando de manera eficiente el espectro radioeléctrico.
La Ecuación 1 permite calcular el número de canales dúplex disponibles. Se debe tener en cuenta que al dividir los canales disponibles se forman grupos de canales únicos disjuntos y cada grupo posee el mismo número de canales.
Donde: S = total de canales dúplex, k = número de canales por grupo asignados a cada celda (k<S), N = número de celdas entre las cuales se dividen los S canales.
La Ecuación 2 permite calcular la capacidad del sistema celular tomando en cuenta que la capacidad es directamente proporcional al número de veces que un clúster se replica en un área de servicio fija.
Donde C = capacidad del sistema, M = número de veces que se replica un clúster.
El tamaño del clúster es denominado con la letra N y sus valores típicos son cuatro, siete y doce. El valor del clúster es una función de cuanta interferencia una estación base o un móvil puede tolerar manteniendo calidad en las comunicaciones.
Para calcular el tamaño del clúster y el arreglo de las celdas se considera la geometría hexagonal, es decir cada celda tiene exactamente seis vecinos equidistantes y las líneas que unen los centros de cada celda están separadas sesenta grados.
La Ecuación 3 permite encontrar el co-canal vecino más cercano de una celda en particular.
Donde i = número entero positivo, j = número entero positivo
La selección de redes privadas con infraestructura dedicada para AMI implica grandes costos y son difíciles de financiar, implementar, mantener y ejecutar. Mientras que la selección de redes públicas requiere menor inversión de capital en comparación con una red dedicada, dando como resultado un menor impacto económico. Se debe tomar en cuenta que, en la red privada, el proveedor de servicios es responsable de garantizar el rendimiento, la seguridad y la actualización de la infraestructura. Por otra parte, la participación de múltiples proveedores públicos y privados puede mejorar la tolerancia a fallos o extender la cobertura.
Las transmisiones inalámbricas se ven afectadas ya que todos los medidores utilizan los mismos canales de radio y, por lo tanto, la misma frecuencia de transmisión y recepción. Se debe considerar que el uso de bandas no licenciadas aumenta la interferencia y el ruido por las comunicaciones externas al sistema de medición avanzada.
La Tabla 2 presenta los requerimientos mínimos que deben cumplir las tecnologías de comunicación para la medición inteligente, tomando en cuenta que deben ser capaces de gestionar la información de cientos de miles de medidores inteligentes.
Tabla 2
Requisitos para AMI.
La generación de datos depende del tiempo de monitoreo configurado en el sistema, por lo tanto, pueden existir muchos sensores generando información y transmitiendo a su nodo vecino hasta llegar al concentrador de la red. Del mismo modo los sensores que se encuentran de puente de comunicaciones entre otros sensores pueden tener información almacenada por enviar y debe tener la suficiente memoria para tomar los datos y retransmitirlos, así como para transmitir sus datos generados.
Los diferentes sub-canales experimentan diferentes ganancias, incluso para el mismo usuario. Cada sub-canal es lo suficientemente estrecho como para sufrir un desvanecimiento. También asumimos que la ganancia del canal es constante en cada ranura de tiempo, pero varía de una ranura a otra. Bajo las suposiciones anteriores la Ecuación 4 permite calcular la señal de ruido en función de la ganancia del canal calculado por la Ecuación 5.
De donde; SNR, es la señal ruido; H es la ganancia del canal; S es la potencia transmitida;
Un enfoque amplio para la simulación de canales es construir una señal a partir de fuentes de ruido gaussiana, si un canal está compuesto por un conjunto de componentes de señales discretas que se originan por la reflexión o dispersión de estructuras más pequeñas, por ejemplo, casas, pequeñas colinas, etc., se denomina un canal multitrayecto discreto. La respuesta equivalente de un canal multitrayecto se obtiene con la Ecuación 6.
Donde 
es el tiempo.
Para muchos canales, se puede suponer como una aproximación razonable de que el número de componentes discretos es constante y los valores de retardo varían muy lentamente y también pueden ser constantes. El modelo entonces se simplifica en la Ecuación 7.
Donde 
y 
son la atenuación y el retardo.
Al utilizar comunicaciones celulares y con la finalidad de brindar calidad de servicio se determina la pérdida del servicio mediante Erlang B (Ecuación 8), debido a que los sistemas de telefonía en redes fijas y móviles que no proporcionan almacenamiento en búfer de tráfico.
Para los cálculos de tráfico se ha tomado en cuenta la tecnología celular GSM desplegada por una operadora celular en el país. La Tabla 3 describe las principales características de la tecnología celular GSM.
Tabla 3
Características de GSM
