ADAPTACIÓN DE LAS REDES MÓVILES M2M PARA
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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) GRADO EN INGENIERÍA TELEMÁTICA ADAPTACIÓN DE LAS REDES MÓVILES M2M PARA APLICACIONES DE MISIÓN CRÍTICA DE REDES ELÉCTRICAS INTELIGENTES Autor: Sara Montero Gómez-Serranillos Director Iberdrola: Ignacio Martín Díaz de Cerio Madrid Junio 2014 AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO DIVULGACIÓN EN ACCESO ABIERTO (RESTRINGIDO) DOCUMENTACIÓN Y DE 1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma. El autor Dña. Sara Montero Gómez-Serranillos, como alumna de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS (COMILLAS), DECLARA que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en relación con la obra proyecto final de carrera “ADAPTACIÓN DE LAS REDES MÓVILES M2M PARA APLICACIONES DE MISIÓN CRÍTICA DE REDES ELÉCTRICAS INTELIGENTES” que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra. En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita. 2º. Objeto y fines de la cesión. Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita (con las limitaciones que más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente. 3º. Condiciones de la cesión. Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá: (a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet; realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección. (b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica, incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. . (c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional, accesible de modo libre y gratuito a través de internet.1 (d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 2 4º. Derechos del autor. El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a: a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los derechos del documento. b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través de cualquier medio. c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]). d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para la obtención del ISBN. e) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de propiedad intelectual sobre ella. 5º. Deberes del autor. El autor se compromete a: a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro. b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la intimidad y a la imagen de terceros. 1 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los siguientes términos: (c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional 2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado. c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e intereses a causa de la cesión. d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión. 6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional. La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades: a) Deberes del repositorio Institucional: - La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas. - La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso de las obras. - La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro. b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas: - Retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros. Madrid, a ……….. de …………………………... de ………. ACEPTA Fdo…………………………………………………………… Autorizada la entrega del proyecto del alumno/a: Sara Montero Gómez-Serranillos EL DIRECTOR DEL PROYECTO Ignacio Martín Díaz de Cerio Fdo.: …………………… Fecha: ……/……/…… Vº Bº del Coordinador de Proyectos David Contreras Bárcena Fdo.: …………………… Fecha: ……/……/…… ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) GRADO EN INGENIERÍA TELEMÁTICA ADAPTACIÓN DE LAS REDES MÓVILES M2M PARA APLICACIONES DE MISIÓN CRÍTICA DE REDES ELÉCTRICAS INTELIGENTES Autor: Sara Montero Gómez-Serranillos Director Iberdrola: Ignacio Martín Díaz de Cerio Madrid Junio 2014 AGRADECIMIENTOS En primer lugar, me gustaría agradecer a todo el equipo de Iberdrola por haberme dado la oportunidad de llevar a cabo este proyecto y de pertenecer a un gran equipo donde he aprendido mucho. En especial a mis dos directores de proyecto, Ignacio Martín y María José Escribano, por haberme ayudado y guiado en todo momento. También quisiera agradecer a mi familia por haber estado siempre a mi lado, tanto en los buenos como en los malos momentos. Gracias por haberme dado la oportunidad de tener una formación a lo largo de toda mi vida y hacer posible mis metas. Por último, agradecer a todos mis amigos y profesores que he tenido la suerte de conocer a lo largo de mi carrera. Muchas gracias a todos por hacer posible este proyecto. I II ADAPTACIÓN DE LAS REDES MÓVILES M2M PARA APLICACIONES DE MISIÓN CRÍTICA DE REDES ELÉCTRICAS INTELIGENTES Autor: Montero Gómez-Serranillos, Sara. Director: Martín Díaz de Cerio, Ignacio. Entidad Colaboradora: Iberdrola. RESUMEN DEL PROYECTO Este proyecto se centra en adaptar las redes móviles M2M actuales a las necesidades de las aplicaciones de Misión Crítica de la Smart Grid de Iberdrola. Para ello, en base a los requisitos propuestos que se deben cumplir y las capacidades de control y gestión de las redes móviles 3G, se desarrollan una serie de adaptaciones y el diseño de cada una de ellas. Palabras clave: M2M, Smart Grid, redes móviles, aplicaciones de Misión Crítica, automatización, telecontrol, supervisión, adaptaciones, arquitectura, Iberdrola. 1. Introducción En la actualidad, la red de distribución eléctrica de media y baja tensión no dispone de elementos de TIC (Tecnologías de la Información y la Comunicación) para su control y supervisión. Los objetivos europeos de la política energética [EUR01] (sostenibilidad, competitividad y seguridad de suministro) obligan a la implantación de una red de distribución más flexible y dinámica que permita entre otras funciones una mayor integración de la generación distribuida y la demanda gestionada. Esta nueva red de distribución se conoce como la Red Eléctrica Inteligente (Smart Grid). En este contexto de Smart Grid, Iberdrola presenta el proyecto STAR (Sistemas de Telegestión y Automatización de la Red) como una solución a la telegestión de los contadores y la automatización de la red de distribución energética. La telegestión consiste en la lectura y actuación a distancia sobre los contadores residenciales que vino establecido como obligación en el Real Decreto 1110/2007 [BOE01]. De acuerdo a la visión innovadora de Iberdrola, se ha decidido utilizar la tecnología PLC PRIME [ITU01] para resolver las comunicaciones desde los contadores hasta los centros de transformación. Además, en los centros transformación, se pueden agregar además de la III telegestión, otros servicios como la automatización, la supervisión y el telecontrol de la red de media y baja tensión. Estos últimos se consideran aplicaciones de Misión Crítica. Llegados a este punto, la problemática que se plantea es analizar que redes de telecomunicaciones son las más adecuadas para resolver las comunicaciones de cada uno de los centros de transformación. Actualmente se usan diversas tecnologías para la comunicación de datos desde los centros de transformación hasta la red troncal de comunicaciones de Iberdrola. Sin embargo, estas tecnologías presentan una serie de inconvenientes. Se ha valorado la posibilidad de la red pública móvil debido a que puede cubrir la mayoría de centros. Respecto a las comunicaciones usando la red pública móvil, hay que destacar su amplia cobertura, bajo coste y que permiten un rápido despliegue. Sin embargo, esta red no cumple con algunos requisitos de las aplicaciones de Misión Crítica: alta disponibilidad, la priorización del tráfico y la gestión extremo a extremo. 2. Definición del proyecto Se ha establecido un servicio UMTS contratado donde se ha definido una arquitectura de comunicaciones basada en un router con dos tarjetas SIM M2M de diferentes operadores de telecomunicaciones, uno definido como principal y otro como secundario, y un único módulo radio. Esto es así debido a la necesidad de alta disponibilidad requerida por las aplicaciones de Misión Crítica. IV Figura 1: Arquitectura conexiones red troncal de Iberdrola con sus equipos terminales Sin embargo, las redes de los operadores móviles no cumplen ciertos requisitos de las aplicaciones de Misión Crítica. La principal razón se debe a la exposición de las aplicaciones de Iberdrola al tráfico de otros usuarios que está creciendo de forma exponencial con la aparición de los smartphones. Por este motivo, el propósito principal del proyecto consiste en mejorar el rendimiento de las aplicaciones de Misión Crítica sobre la red móvil 3G actual mediante el desarrollo de adaptaciones que permitan cumplir con los requisitos que se analizarán teniendo en cuenta las capacidades de control y gestión de la red móvil. Sobre estas adaptaciones, se realizará el desarrollo y diseño de la arquitectura general. 3. Descripción del modelo Se han propuesto los requisitos de las aplicaciones de Misión Crítica de acuerdo a los siguientes usuarios que intervienen en la red: Sistema de gestión central de telecomunicaciones de la empresa eléctrica (en adelante Centro de Gestión de Red o CGR). V Las redes móviles de los operadores. Los dispositivos terminales. Además, se han hecho una clasificación de acuerdo a tres planos: Usuario: se trata de la caracterización de las aplicaciones de Misión Crítica que incluyen los requisitos de productividad (disponibilidad, tiempo máximo de resolución, etc), rendimiento (latencia máxima, máxima pérdida de paquetes, etc), redundancia y criticidad. Gestión: acceso remoto a la información de la red y la supervisión de los distintos elementos de red que soportan los servicios. Control: implica toda la señalización y mecanismos para el acceso a recursos radio y el mantenimiento del canal comunicaciones. De acuerdo a los requisitos definidos, se busca plantear y desarrollar adaptaciones teniendo en cuenta las capacidades de las redes móviles actuales. Se han llevado a cabo desde dos planos distintos: Gestión de la red extremo a extremo: integrar la información y eventos de los dispositivos terminales que se accede desde el CGR y la información y eventos de las tarjetas SIM M2M que se suministran a través de las plataformas M2M. Con esto se quiere cumplir con las siguientes funcionalidades: Recibir información de la red de acceso y núcleo de los operadores móviles. Recibir alarmas de la red de acceso y núcleo de los operadores móviles. Medir los SLA de servicios que facilitan los operadores móviles. La correlación de la información recibida de los operadores móviles y los dispositivos para tener un mejor conocimiento del estado de la red de telecomunicaciones. Mejorar en la gestión de fallos descubriendo la ubicación de los elementos responsables del fallo de manera rápida. Control: se divide en dos bloques importantes: VI Gestión de la conectividad: se definen unas adaptaciones para aumentar la disponibilidad de los dispositivos. Gestión de la prioridad: mediante estas adaptaciones se pretende adaptar los mecanismos de priorización para aplicaciones que generan poco tráfico esporádico (aplicaciones de Misión Crítica). Además de la posibilidad de garantizar un mínimo de capacidad en las redes móviles y la diferenciación del tráfico dentro de una misma tarjeta SIM M2M en los dispositivos. Después se ha llevado a cabo la definición de la arquitectura de cada una de las adaptaciones. Figura 2: Arquitectura adaptaciones de gestión y control 4. Resultados En base a las necesidades de las aplicaciones de Misión Crítica (tiempo real y criticidad elevada), algunas adaptaciones han resultado viables y otras han dado resultados desfavorables de acuerdo a las capacidades actuales de las redes móviles 3G. Respecto a las adaptaciones de gestión extremo a extremo, el grado de cumplimiento es elevado mejorando la supervisión y gestión de la información. Por lo VII tanto, son viables los resultados que se obtienen siempre que el operador móvil facilite la ayuda que se le pide. Respecto a las adaptaciones de control, aquellas relacionadas con la gestión de la conectividad, sí han dado resultados viables pero vuelve a ser imprescindible la implicación de los operadores móviles para la total viabilidad de las adaptaciones. Sin embargo, las adaptaciones relacionadas con la prioridad no han sido viables debido a las restricciones del estándar 3GPP [3GPP01] además de que los operadores móviles mantienen el tráfico de las aplicaciones de Misión Crítica en la categoría de “Best Effort” [3GPP02]. 5. Conclusiones Tras los resultados obtenidos por las adaptaciones, se demuestra que actualmente con las adaptaciones que se han planteado sobre las redes móviles 3G, no se llegan a solventar todos los requisitos de las aplicaciones de Misión Crítica. Las adaptaciones de gestión han dado buenos resultados pero se necesita la implicación de los operadores móviles para conseguir un mayor grado de cumplimiento. La adaptación de control que mejores resultados ha obtenido ha sido la que hace referencia a añadir tráfico adicional diariamente mediante el protocolo ICMP. Con esta adaptación, se ha comprobado que tanto la pérdida de paquetes como el retardo de las aplicaciones de Misión Crítica se reducen. Los resultados y mejoras pueden abrir las puertas a nuevos servicios que los operadores de telecomunicaciones pueden facilitar a otros clientes potenciales no relacionados con la energía y que dispongan de un sistema de control distribuido. 6. Referencias [EUR01]”Política energética europea”, http://europa.eu/legislation_summaries/energy/european_energy_policy/index_es.htm [BOE01] “Real Decreto 1110/2007”, 2007. https://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2007-16478 VIII [ITU01] ITU-T G.9904, “Narrowband orthogonal frequency division multiplexing power line communication transceivers for PRIME networks”, http://www.itu.int/rec/TREC-G.9904-201210-I/en [3GPP01] “25.304” y “25.301”, http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/25_series/25.304/ http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/25_series/25.301/ [3GPP02] “QoS concept and architecture”, Release 11, http://www.3gpp.org/DynaReport/23107.htm IX X ADAPTATION OF M2M MOBILE NETWORK FOR MISSION CRITICAL APPLICATIONS OF SMART GRID. Author: Montero Gómez-Serranillos, Sara. Supervisor: Martín Díaz de Cerio, Ignacio. Collaborating Entity: Iberdrola ABSTRACT This project is based on adapting the existing M2M mobile network to the needs of the Iberdrola’s Smart Grid services. To achieve this, focusing on the proposed requirements that it must fulfil and the control and management capabilities of 3G mobile networks, specific adaptations and the design of each of them have been developed. Keywords: M2M, Smart Grid, Mobile networks, Mission Critical applications, automation, remote control, supervision, adaptations, architecture, Iberdrola. 1. Introduction Currently, the electricity distribution network of medium and low voltage does not have the ICT (Information and Communication Technology) elements for their control and supervision. The European energy policy objectives [EUR01] (sustainability, competitiveness and security of supply) require the establishment of a more flexible and dynamic distribution network that allows, among other functions, a greater integration of distributed generation and demand management. This new distribution network is known as the Smart Grid. In a Smart Grid context, Iberdrola launched the STAR Project (Network Remote Management and Automation Systems) as a solution for Smart Metering of meters and automation of electricity distribution network. Smart Metering consists of reading and acting from the distance on the residential points of supply that came as an obligation established in the Spanish Royal Decree 1110/2007 [BOE01]. According to the innovative vision of Iberdrola, it has been decided to use the PRIME PLC technology [ITU01] to solve communications from the meters to the secondary substation. Therefore, apart from remote management, other services such as automation, XI supervision and remote control of the medium and low voltage network can be added. Those are considered Mission Critical applications. At this point, the problem is to analyse which telecommunications networks are best suited to solve communications in each secondary substation. Currently, several technologies are used for data communications from secondary substation to the Iberdrola backbone network. However, these technologies have some drawbacks. The public network that better suits high dispersion at points interconnected for Smart Grid would be the public data mobile network. Public data mobile network would enable a quick deployment of these services at low cost providing a high coverage. However, this network presents some gaps to fulfilling Smart Grid requirements especially for those applications that are Mission Critical: high availability, traffic prioritization and end to end management. 2. Project definition It has been established a hired UMTS service where it has been defined a communication architecture based on a router with dual M2M SIM cards from different telecom operators, one defined as primary and the other one as secondary, and one radio module. This is due to the need of high availability required for Mission Critical applications. XII Figura 3: Connections architecture from terminal devices to iberdrola backbone network However, the telecom operators networks do not fulfil with some Mission Critical applications’ requirements. The main reason is that there could be competition for resources’ issues and other problems which could compromise the Smart Grid applications such that they do not work as were expected. Therefore, the main purpose of the project is to improve the performance of the Mission Critical applications over the current 3G mobile networks by developing adaptations that could fulfil with the requirements that will be analysed taking into account the capabilities of management and control mobile networks. On these adaptations, development and design of the overall architecture is performed. 3. Model description Requirements have been proposed for Mission Critical applications according to the following users involved in the network: Utility telecom management center (CGR). XIII The mobile network operators. The terminal devices. In addition, there have been rated according to three levels: User: this is the characterization of Mission Critical applications that includes productivity requirements (availability, maximum resolution, etc.), performance (maximum latency, maximum packet loss, etc.), redundancy and criticality. Management: remote access to network information and supervision of the different network elements that support Smart Grid services. Control: involves all signaling and mechanisms for accessing to radio resources and maintaining communications channel. According to the defined requirements, the planning and development of adaptations taking into account the capabilities of existing mobile networks are analyzed. The adaptations have been carried out from two different levels: Managing the end to end network: this project will deliver an integrated management for the telecom operator and the utility networks in order to manage services in an end to end basis. The following functionalities will be provided: Retrieve information from the telecom access network and the core telecom network. Receive alarms from the telecom access network and the core telecom network. Measure service levels of the end to end service and of the services provided by telecom operators. Correlate the information received from operators and devices to obtain a better knowledge of the network state. Improve in fault management discovering the element of the network that is the responsible of a fault, and what the root cause is. Control: it is divided into two major sections: XIV Connectivity management: adaptations are defined to increase the availability of the devices. Priority management: consists on the adaptation of the prioritization mechanisms for applications that generate sporadic little data traffic (Mission Critical applications). Besides the possibility to guarantee a minimum capacity in mobile networks and traffic differentiation within a M2M SIM card in the device is analyzed. Then, it has been carried out the definition of the architecture of each of the adaptations. Figura 4: Architecture of management and control adaptations 4. Results Based on the needs of the Mission Critical applications (real-time and high criticality), some adaptations have been viable and others have had unfavourable results according to the current capabilities of 3G mobile networks. XV Regarding the end to end management adaptations, the compliance is high improving the supervision and management of information. Therefore, the results are viable whenever the mobile operator provides the help that is required. Regarding the control adaptations, those related to connectivity management have produced feasible results but it is essential the mobile operators implication for the complete feasibility of them. However, the adaptations related to priority have not been viable due to the restrictions of the 3GPP standard [3GPP01] besides those mobile operators maintain the traffic of the Mission Critical applications into the category of "Best Effort" [3GPP02]. 5. Conclusions After the obtained results, it is shown that currently the adaptations that have been presented over 3G mobile networks, fail to solve all requirements for Mission Critical applications. Management adaptations have been successful results but the involvement of mobile operators is needed to achieve the highest level of compliance. The control adaptation that has obtained the most successful results has been referenced by adding additional traffic daily by the ICMP protocol. With this adaptation, it has been found that both packet loss and the delay of Mission Critical applications are reduced. The results and improvements will open the door to new services to be provided by telecom operators beyond the energy sector. Other potential clients not directly related to energy such as emergencies, hospitals, etc. may also use these new services. 6. References [EUR01]”Política energética europea”, http://europa.eu/legislation_summaries/energy/european_energy_policy/index_es.ht m [BOE01] “Real Decreto 1110/2007”, 2007, https://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2007-16478 XVI [ITU01] ITU-T G.9904, “Narrowband orthogonal frequency division multiplexing power line communication transceivers for PRIME networks”, http://www.itu.int/rec/T-REC-G.9904-201210-I/en [3GPP01] “25.304” y “25.301”, http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/25_series/25.304/ ,http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/25_series/25.301/ [3GPP02] “QoS Concept and Architecture”, Release 11, http://www.3gpp.org/DynaReport/23107.htm XVII XVIII GLOSARIO 3GPP: Third-generation Partnership Program AMM: Advance Metering Management API: Application Programming Interface APN: Access Point Name CGR: Centro de gestión de la red de telecomunicaciones de Iberdrola CN: Core Network CT: Centro de Transformación DMVPN: Dynamic Multipoint Virtual Private Networks GADIP: Gestión y Administración de direccionamiento IP para recoger el inventario de datos de configuración de equipos y tráfico GGSN: Gateway GPRS Support Node GPRS: General Packet Radio Service GRE: Generic Routing Encapsulation GSM: Global System for Mobile HLR: Home Location Register ICC: Integrated Circuit Card ICMP: Internet Control Message Protocol ICT: Information and Communication Technology IMEI: International Mobile Equipment Identification IMSI: International Mobile Subscriber Identity IP: Internet Protocol KPI: Key Performance Indicators M2M: Machine to Machine MSC: Mobile Switching Center NHRP: Next Hop Resolution Protocol XIX OSS: Operational Support Systems PMS: Performance Measurement System. PS: Packet Scheduling QoS: Quality of service RAB: Radio-Access Bearer RAN: Radio-Access Network RIPv2: Routing Information Protocol versión 2 RNC: Radio Network Controller. RNS: Radio Network Subsystem RRM: Radio Resource Management RTU: Unidad de Transmisión Remota SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition SGSN: Serving GPRS Support Node SIAC: Sistema Integrador de alarmas de comunicaciones para las alarmas de los equipos. SIM: Subscriber Identity Module SLA: Service Level Agreement SNMPc: SNMP castle rock. Sistema de Iberdrola para verificar la conectividad con el equipo remoto SNMPv3: Simple Network Management Protocol versión 3 SSL: Secure Sockets Layer STAR: Sistemas de Telegestión y Automatización de la Red TIC: Tecnologías de la Información y la Comunicación UMTS: Universal Mobile Telecommunications System UTRAN: UMTS Terrestrial Radio-Access Network VLR: Visitor Location Register VPN: Virtual Private Network XX INDICE DEL PROYECTO 1. Introducción ............................................................................................................. 1 1.1 Iberdrola en el mundo ........................................................................................ 1 1.2 La necesidad de la Smart Grid ........................................................................... 1 1.3 Proyecto STAR de Iberdrola.............................................................................. 2 1.4 Aplicaciones de la Smart Grid ........................................................................... 6 1.5 Uso de redes móviles para la Smart Grid .......................................................... 9 1.5.1 Tecnología UMTS .......................................................................................... 10 1.5.2 Coexistencia tecnologías GPRS y UMTS ....................................................... 11 1.5.3 Solución comunicaciones móviles UMTS ...................................................... 11 1.6 2. Estado de la cuestión .............................................................................................. 15 2.1 Tipos de tecnologías para comunicaciones de datos en la Smart Grid ............ 15 2.1.1 Fibra óptica .............................................................................................. 15 2.1.2 ADSL......................................................................................................... 16 2.1.3 PLC ........................................................................................................... 16 2.1.4 Comunicaciones móviles .......................................................................... 17 2.2 3. Planteamiento del problema............................................................................. 13 Telecomunicaciones móviles de datos para la Smart Grid .............................. 19 Alcance del proyecto ............................................................................................... 21 3.1 Motivación ....................................................................................................... 21 3.2 Objetivos .......................................................................................................... 21 3.3 Metodología ..................................................................................................... 23 3.4 Recursos a emplear .......................................................................................... 24 4. Planificación y estimación económica .................................................................. 27 5. Definición de requisitos.......................................................................................... 31 5.1 Requisitos plano usuario .................................................................................. 31 5.2 Requisitos básicos operadores ......................................................................... 35 5.3 Requisitos básicos dispositivos ........................................................................ 35 5.4 Requisitos plano gestión .................................................................................. 37 5.5 Requisitos plano control .................................................................................. 46 5.6 Tabla resumen requisitos plano gestión, control y usuario .............................. 50 XXI 6. 7. Definición de adaptaciones .................................................................................... 53 6.1 Plano de gestión ............................................................................................... 53 6.2 Plano de control ............................................................................................... 57 6.3 Tabla resumen adaptaciones plano gestión y control ...................................... 76 Arquitectura ............................................................................................................ 81 7.1 Plano de usuario ............................................................................................... 81 7.2 Plano de gestión ............................................................................................... 86 7.3 Plano de control ............................................................................................. 100 8. Analisis de resultados ........................................................................................... 111 9. Conclusiones......................................................................................................... 115 10. Bibliografia ........................................................................................................... 119 ANEXO A: Campos tabla INV_EQUIPO ............................................................ 123 ANEXO B: Código MIB para generar traps ........................................................ 125 ANEXO C: Manual prueba de 48 horas ............................................................... 129 XXII Índice de Figuras FIGURA 1: ARQUITECTURA CONEXIONES RED TRONCAL DE IBERDROLA CON SUS EQUIPOS TERMINALES ..... V FIGURA 2: ARQUITECTURA ADAPTACIONES DE GESTIÓN Y CONTROL ........................................................ VII FIGURA 3: CONNECTIONS ARCHITECTURE FROM TERMINAL DEVICES TO IBERDROLA BACKBONE NETWORK ........................................................................................................................................................ XIII FIGURA 4: ARCHITECTURE OF MANAGEMENT AND CONTROL ADAPTATIONS ............................................. XV FIGURA 5: PAÍSES DONDE IBERDROLA TIENE PRESENCIA ............................................................................... 1 FIGURA 6. ESQUEMA GENERAL PROYECTO STAR ........................................................................................ 3 FIGURA 7: TÍPICO SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN ................................................................... 4 FIGURA 8: SISTEMA DISTRIBUCIÓN EN MEDIA TENSIÓN URBANA ................................................................... 5 FIGURA 9: SERVICIOS DE LA SMART GRID ..................................................................................................... 6 FIGURA 10: FUNCIONAMIENTO CORRECTO SUMINISTRO DE ENERGÍA. PARTE 1 ............................................. 7 FIGURA 11: FALLO EN EL SUMINISTRO DE ENERGÍA. PARTE 2 ....................................................................... 7 FIGURA 12: FALLO EN EL SUMINISTRO DE ENERGÍA. PARTE 3 ....................................................................... 8 FIGURA 13: AISLAMIENTO FALLO DE LA RED. PARTE 4 ................................................................................. 8 FIGURA 14: AISLAMIENTO FALLO DE LA RED. PARTE 5 ................................................................................. 8 FIGURA 15: ARQUITECTURA RED UMTS [UPM01]..................................................................................... 11 FIGURA 16: SOLUCIÓN UMTS..................................................................................................................... 12 FIGURA 17: CONEXIÓN ENTRE REDES TELEFÓNICAS MÓVILES, FIJAS Y DE DATOS [COMU12] .................... 18 FIGURA 18: METODOLOGÍA DESARROLLO PROYECTO ................................................................................. 23 FIGURA 19: DIAGRAMA DE GANTT.............................................................................................................. 27 FIGURA 20: ARQUITECTURA SOLUCIÓN SERVICIOS SMART GRID CON CONECTIVIDAD MÓVIL DE DATOS .... 32 XXIII FIGURA 21: ALARMAS PLATAFORMAS M2M Y DISPOSITIVOS RECOGIDAS POR EL CGR .............................. 44 FIGURA 22: ESTADOS REDES MÓVILES 3G ................................................................................................... 48 FIGURA 23: ARQUITECTURA DE LA RED UTRAN [COMU12] .................................................................... 71 FIGURA 24: ESQUEMA DESCRIPTIVO DE LA SOLUCIÓN DE REDES DE DATOS MÓVILES DE LOS OPERADORES 82 FIGURA 25: DISTINCIÓN RED LAN (RED PRIVADA) Y RED WAN (RED PÚBLICA) ........................................ 83 FIGURA 26: ELEMENTOS DE UN CT PARA LAS APLICACIONES DE MISIÓN CRÍTICA...................................... 84 FIGURA 27: ANTENA OMNIDIRECCIONAL INTERNA ...................................................................................... 84 FIGURA 28: ANTENA OMNIDIRECCIONAL EXTERIOR .................................................................................... 84 FIGURA 29: ANTENA DIRECCIONAL ............................................................................................................. 85 FIGURA 30: DOBLE TARJETA SIM M2M EN LOS ROUTERS 3G ..................................................................... 86 FIGURA 31: ARQUITECTURA GENERAL PLANO DE GESTIÓN ......................................................................... 87 FIGURA 32:ARQUITECTURA GESTIÓN INFORMACIÓN DE LA PLANTA INSTALADA ........................................ 88 FIGURA 33: ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN LA RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN ............................. 89 FIGURA 34: ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN LAS PLATAFORMAS M2M PARA RECOGER INFORMACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS ............................................................................................................................... 91 FIGURA 35: IMPLEMTACIÓN APIS EN LAS PLATAFORMAS M2M.................................................................. 92 FIGURA 36: INTEGRACIÓN INFORMACIÓN PALTAFORMAS M2M Y GADIP .................................................. 94 FIGURA 37: ARQUITECTURA GENERACIÓN ALARMAS .................................................................................. 95 FIGURA 38: SISTEMAS DEL CGR PARA COMPROBAR DISPONIBILIDAD EQUIPOS........................................... 95 FIGURA 39: ALARMAS QUE RECOGEN PLATAFORMAS M2M ........................................................................ 97 FIGURA 40: ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN LA INTEGRACIÓN DE ALARMAS .......................................... 98 FIGURA 41: NUEVOS ELEMENTOS PARA LAS PLATAFORMAS M2M .............................................................. 99 XXIV FIGURA 42: ARQUITECTURA GLOBAL PLANO DE CONTROL ........................................................................ 101 FIGURA 43: ARQUITECTURA GESTIÓN CONECTIVIDAD .............................................................................. 102 FIGURA 44: ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN LA ADAPTACIÓN A.C.1.1 ................................................. 103 FIGURA 45: CONDICIONES PARA EL ALGORITMO DE CAMBIO E OPERADOR ................................................ 103 FIGURA 46: GESTIÓN DE ACCESO AL CANAL.............................................................................................. 104 FIGURA 47: ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN LA DETECCIÓN DE LA CONGESTIÓN .................................. 105 FIGURA 48: ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN LA IMPLEMENTACIÓN INFORMACIÓN PSM ....................... 106 FIGURA 49: ARQUITECTURA PRIORIDAD ASIGNACIÓN RECURSOS RADIO ................................................... 107 FIGURA 50: ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN EL SOPORTE QOS Y LA GESTIÓN DE RECURSOS RADIO ...... 108 FIGURA 51: ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN EL SOPORTE QOS ............................................................. 108 FIGURA 52: PRIORIDAD EN LA ASIGNACIÓN DE RECURSOS RADIO POR PARTE DEL DISPOSITIVO ................ 110 FIGURA 53: FUNCIONAMIENTO COMANDO QOS-PRE-CLASSIFY .................................................................. 110 XXV Índice de Tablas TABLA 1: VALORES DE CADA TIPO DE LÍNEA DE DISTRIBUCIÓN..................................................................... 5 TABLA 2: RESUMEN COSTES MATERIAL....................................................................................................... 30 TABLA 3: RESUMEN COSTES PERSONAL ...................................................................................................... 30 TABLA 4: COSTES TOTALES ......................................................................................................................... 30 TABLA 5: LATENCIA DE ACUERDO A LA TECNOLOGÍA MÓVIL ...................................................................... 33 TABLA 6: NIVELES QUE REQUIEREN LAS APLICACIONES DE LA SMART GRID .............................................. 35 TABLA 7: RESUMEN REQUISITOS ................................................................................................................. 51 TABLA 8: PLANIFICACIÓN PRUEBA 48 HORAS DESHABILITANDO ESTADO URA .......................................... 62 TABLA 9: DATOS GLOBALES OBTENIDOS EN LA PRUEBA DESACTIVACIÓN ESTADO URA ............................ 63 TABLA 10: DATOS CAMBIO SIM EN SITUACIÓN DESACTIVACIÓN ESTADO URA.......................................... 63 TABLA 11: PLANIFICACIÓN PRUEBAS AÑADIENDO TRÁFICO ........................................................................ 64 TABLA 12: DATOS GLOBALES OBTENIDOS EN LA PRUEBA SITUACIÓN NORMAL SEMANA 1 .......................... 65 TABLA 13: DATOS CAMBIO SIM EN SITUACIÓN NORMAL SEMANA 1 ........................................................... 65 TABLA 14: DATOS PARTICULARES DE LOS OPERADORES REFERIDOS AL PORCENTAJE DE FALLOS Y AL RETARDO EN SITUACIÓN NORMAL SEMANA 1 ...................................................................................... 66 TABLA 15: DATOS GLOBALES OBTENIDOS EN LA PRUEBA SITUACIÓN NORMAL SEMANA 2 .......................... 66 TABLA 16: DATOS CAMBIO SIM EN SITUACIÓN NORMAL SEMANA 2 ........................................................... 67 TABLA 17: DATOS PARTICULARES DE LOS OPERADORES REFERIDOS AL PORCENTAJE DE FALLOS Y AL RETARDO EN SITUACIÓN NORMAL SEMANA 2 ...................................................................................... 67 TABLA 18: RESULTADOS PRUEBA AÑADIR TRÁFICO DURACIÓN 35 HORAS .................................................. 68 TABLA 19:RESULTADOS PRUEBA AÑADIR TRÁFICO DURACIÓN MAYOR DE 48 HORAS ................................. 69 XXVI TABLA 20: RESUMEN ADAPTACIONES ......................................................................................................... 79 TABLA 21: RESUMEN PARÁMETROS CAMBIO DE OPERADOR ...................................................................... 130 XXVII 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Iberdrola en el mundo La empresa Iberdrola [IBD01] es líder en el sector de la energía. Se encuentra en al menos 40 países a lo largo del mundo desarrollando su actividad en los negocios de: generación, distribución, energía renovable e ingeniería. Figura 5: Países donde Iberdrola tiene presencia Destaca su presencia en numerosos proyectos relacionados con las TIC (Tecnologías de la Información y la Comunicación) debido a su fuerte interés por este sector y por los grandes avances en el mismo. Tal y como describe Miguel Ángel Sánchez Fornié, director de Sistemas de Control y Telecomunicaciones de Iberdrola, en el artículo acerca de las TIC en el sector eléctrico [COIT01], la gestión y optimización del activo de cualquier empresa eléctrica debe estar sustentada por la necesidad de telecomunicaciones para obtener ciertos datos durante el proceso eléctrico. 1.2 La necesidad de la Smart Grid La política energética [EUR01] está basada en tres principios: la competitividad en el mercado energético, la sostenibilidad y la seguridad del suministro. 1 Respecto a la sostenibilidad para el 2020, Europa ha establecido que se debe disminuir un 20% la emisión de gases, disminuir un 20% el consumo energético y aumentar un 20% el uso de energía renovable [EUR02]. Para conseguir lo fijado por la política energética, se plantean las siguientes medidas: Alta integración de la generación distribuida, especialmente las energías renovables. Alta integración del transporte eléctrico. Mejorar la eficiencia haciendo un mejor uso de la energía (demanda activa y gestionada). Mejorar la calidad y seguridad del suministro. La Smart Grid se presenta como una necesidad para poder llevar a cabo estas medidas permitiendo la integración de la gestión de la totalidad de los procesos del negocio eléctrico de Iberdrola. “Smart Grids are emerging as the next strategic challenge for the energy sector and as a key catalyst to achieve the vision of a low-carbon economy” Ignacio S.Galán, Chairman and CEO, Iberdrola. 1.3 Proyecto STAR de Iberdrola Iberdrola ha decidido desplegar una red de telecomunicaciones única que sirva tanto para cumplir con las obligaciones del Real Decreto 1110/2007 como para dar inteligencia a su red de distribución. Iberdrola presenta el proyecto STAR (Sistemas de Telegestión y Automatización de la Red) como una solución a la telegestión de los contadores y la automatización de la red de distribución energética. La telegestión consiste en la lectura y actuación a distancia sobre los contadores residenciales que vino establecido como obligación en el Real Decreto 1110/2007 [BOE01]. De este modo se desarrolló la plataforma AMM (Advance Metering Management). De acuerdo a la visión innovadora de Iberdrola, se decidió desarrollar al mismo tiempo los servicios de automatización, supervisión y telecontrol de la red de media y baja tensión. Estos servicios están dentro del sistema 2 SCADA3 (Supervisory Control And Data Acquisition). Tanto el sistema SCADA como la plataforma AMM se engloban dentro de la Red Eléctrica Inteligente (Smart Grid). Figura 6. Esquema General Proyecto STAR La puesta en funcionamiento de la Smart Grid requiere la instalación de elementos de TIC ubicados en las instalaciones que componen dicha red eléctrica. La energía procedente de las plantas de generación se transporta por las líneas de muy alta tensión de Red Eléctrica de España (REE) hasta la subestación primaria perteneciente a Iberdrola. En la subestación primaria se transforma alta tensión en media tensión. Para entregar la energía desde la subestación hasta los clientes finales (figura 7), se pasa por las subestaciones secundarias, concretamente conocidas como centros de transformación (CT). En los CT se transforma media tensión en baja tensión. Estos centros pueden ser urbanos o rurales. 3 Se encarga de recoger información en tiempo real de los CTs. 3 Figura 7: Típico sistema de distribución de baja tensión La topología de la red de media tensión en entorno urbano (figura 8) presenta en el medio la subestación primaria. De esta subestación salen unas líneas en forma de anillo o se conecta con otras subestaciones primarias. Cada línea está formada por 10 CTs que abastecen a los usuarios finales. Un CT puede suministrar energía aproximadamente a un área de 0.07 con 350 habitantes. 4 Figura 8: Sistema distribución en media tensión urbana En la tabla 1 se incluye los valores típicos de baja, media y alta tensión con los que trabaja Iberdrola. Línea Voltaje Alta tensión 30kV, 45kV, 60kV, 132kV Media tensión 11kV, 13kV,15kV,20kV, 30kV Baja tensión 220V, 380V Tabla 1: Valores de cada tipo de línea de distribución En estos momentos el reto es comunicar todos los CT porque ya existe comunicación con las subestaciones primarias. Las principales dificultades que plantean son su volumen (alrededor de 80.000) y sus diferentes ubicaciones. 5 Para poder comunicar todas estas instalaciones se hace uso de las distintas tecnologías (PLC, ADSL, fibra óptica, etc) en función de la ubicación de la instalación y la topología de la red. 1.4 Aplicaciones de la Smart Grid Iberdrola ha decidido realizar la implantación de estos sistemas (telegestión, automatización, supervisión y telecontrol) al mismo tiempo ya que, si bien implica una importante inversión inicial, a la larga supondrá el desarrollo de una misma red de comunicaciones más eficiente que recoge sus distintas necesidades. La tecnología PLC PRIME [ITU01] es la que ha permitido concentrar las comunicaciones requeridas por la telegestión a los CTs y así requerir una red única de telecomunicaciones. Dentro del tráfico generado por los sistemas desarrollados, cabe destacar la importancia de priorizar el tráfico de automatización, telecontrol y supervisión debido a que se tratan de aplicaciones de Misión Crítica (figura 9). En los CTs se instalan elementos que permiten la implantación de dichos sistemas. Figura 9: Servicios de la Smart Grid Se describen los servicios proporcionados por la Smart Grid: Telecontrol, monitorización y automatización Una avería en el suministro de energía tiene consecuencias negativas tanto para el cliente como para la empresa eléctrica, en este caso Iberdrola. Por este motivo, el 6 telecontrol, la supervisión y la automatización son aplicaciones de Misión Crítica que demandan tiempo real y son críticos tanto en la comunicación como en la solución al problema. Sin estas aplicaciones de Misión Crítica, la detección del origen de la falta y reparación de una avería en el suministro se llevaría a cabo a partir de prueba y error. Esto quiere decir que los encargados deben desplazarse a cada uno de los CTs, mayoritariamente los subterráneos, que se encuentran afectados para comprobar mediante unas pruebas cual es el enlace de MT problemático. Se debe entrar en todos los CTs hasta que se encuentre el origen del problema. Esto implica mucho tiempo hasta poder solucionar el problema y riesgo por tener que manipular instalaciones eléctricas en servicio. A continuación se explica con un ejemplo como se actuaría de manera más rápida gracias al telecontrol, monitorización y automatización. En el ejemplo, el CT presenta un correcto funcionamiento del suministro energético (figura 10). Cuando se produce un fallo en un enlace que une dos CTs, se produce un corte del suministro de energía en tres CTs que abastecen a un número de clientes (figura 11). Figura 10: Funcionamiento correcto suministro de energía. Parte 1 Figura 11: Fallo en el suministro de energía. Parte 2 Se debe aplicar las medidas de control oportunas. Para ello se abre el interruptor perteneciente al primer CT (figura 12) y de esta manera los clientes de uno de los CTs 7 recuperan el suministro. A continuación se debe abrir el interruptor perteneciente al segundo CT para aislar el problema (figura 13). Figura 12: Fallo en el suministro de energía. Parte 3 Figura 13: Aislamiento fallo de la red. Parte 4 Por último, se cierra el interruptor perteneciente al cuarto CT para dar suministro a los dos CTs que se habían quedado aislados (figura 14). Figura 14: Aislamiento fallo de la red. Parte 5 La información que se maneja es en tiempo real. Es crítica en cuanto al retraso y pérdida de paquetes. Debe entenderse que este tipo de aplicaciones de Misión Crítica debe tener un tráfico que tenga la primera prioridad en las políticas de calidad de servicio (QoS). Telegestión La telegestión vino dada por el Real Decreto 1110/2007 para poder llevar a cabo de manera remota las siguientes funcionalidades: 8 Conectar y desconectar la energía en las viviendas. Subir y bajar la potencia contratada. Programar tarifas. Telemedida. Esta aplicación no demanda tiempo real. Por lo tanto, es un proceso no crítico en cuanto a la disponibilidad puntual en el extremo remoto. Una medida no efectuada correctamente la primera vez, se puede repetir todas las veces que sean necesarias posteriormente. Según el Real Decreto, la telegestión debe alcanzar una implantación del 100% de viviendas residenciales en el año 2018. Aplicaciones futuras Se añadirán en un futuro nuevas aplicaciones que mejoren ciertos servicios de Iberdrola relacionados con la integración de renovables, la demanda activa, la generación distribuida, etc. Iberdrola presenta en ciertos CTs el servicio de telegestión (nivel básico). Además, un subconjunto de estos presentan las capacidades de control junto con monitorización y automatización en media tensión. De todos estos niveles, consideramos que son de Misión Crítica solo el nivel de automatización, telecontrol y supervisión. 1.5 Uso de redes móviles para la Smart Grid El auge en los últimos años por la búsqueda de un tipo de tecnología de comunicación más apropiada vino a estudiar la posibilidad de la red pública móvil para satisfacer las necesidades de las aplicaciones de Misión Crítica. Este proyecto tiene el fin de que las redes móviles no solo den el apoyo a la telegestión, sino también a los elementos que están en los CTs que transportan tráfico de 9 aplicaciones de Misión Crítica: gestión y control de media tensión, alarmas, detección de fallos. Todo esto en tiempo real y con una criticidad elevada. 1.5.1 Tecnología UMTS La tecnología 3G (Tercera Generación) conocida como Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS) [3GPP01] es el primer estándar mundial para la comunicación desde dispositivos móviles que representa una evolución respecto a los sistemas GSM. El nacimiento de UMTS se produjo en el seno de una nueva organización de estandarización, el 3GPP (Third Generation Partnership Project) [3GPP02] que agrupa a países europeos y de otros continentes. UMTS cuenta con una nueva interfaz de radio y mayor ancho de banda, así como nuevas frecuencias. La misma frecuencia se usa en toda la red y diferentes usuarios son atendidos simultáneamente, sin asignarles distintos slots de tiempos, sino usando diferentes códigos. En la tecnología UMTS las llamadas de voz y datos recorren el mismo camino en la red de acceso, pero se bifurcan en la red de conmutación, donde hay una red para atender a las llamadas de voz, y otra para las llamadas de datos. Los elementos, lenguajes o protocolos que gestionan estas llamadas son diferentes. Las altas velocidades que se pueden conseguir con UMTS y sus evoluciones permiten abordar soluciones multimedia que acerquen a los terminales remotos aplicaciones con la calidad y rendimiento que hoy solamente se pueden alcanzar en costosas redes de grandes empresas. 10 Figura 15: Arquitectura red UMTS [UPM01] 1.5.2 Coexistencia tecnologías GPRS y UMTS Los operadores permiten que los servicios de GPRS y UMTS coexistan, entendiéndose las dos tecnologías como complementarias. Por tanto, se garantiza que todos los servicios actualmente disponibles sobre GSM/GPRS son también accesibles desde la tecnología UMTS de forma transparente y sin disminución alguna de calidad, ampliándose las dos carteras de servicios de forma idéntica excepto en aquellos donde, por motivos puramente tecnológicos, puedan ser ofrecidos mediante UMTS y no por GPRS. Hay que tener en cuenta que la coexistencia de las redes permitirá una mayor disponibilidad del servicio. 1.5.3 Solución comunicaciones móviles UMTS Para la comunicación de datos de estos servicios demandados se ha valorado que una posible solución para las comunicaciones de la Smart Grid es la red pública móvil debido a las ventajas que presenta frente a otras. Estas ventajas son el rápido despliegue, la alta cobertura y la reducción de costes que supone. La tecnología usada es 3G (UMTS). 11 Sin embargo, este tipo de red no está diseñada para las aplicaciones de Misión Crítica requerida por el sistema de distribución de energía de la Smart Grid. Tiene una serie de limitaciones: introduce la dependencia del operador móvil, los recursos son limitados y esta red no está diseñada para transportar poco tráfico esporádico (tráfico de las aplicaciones de Misión Crítica). Por todo esto, se busca las adaptaciones entre los requerimientos críticos de la Smart Grid y las capacidades actuales de la red de datos móviles dando lugar al diseño de una arquitectura que cubra estos requerimientos. Se ha establecido un servicio UMTS contratado donde se ha definido una arquitectura de comunicaciones basada en un router con dos tarjetas SIM M2M de diferentes operadores de telecomunicaciones, uno definido como principal y otro como secundario, y un único módulo radio. Esto es así debido a la necesidad de alta disponibilidad requerida por las aplicaciones de Misión Crítica. Además, se minimizan situaciones en las que el router se queda incomunicado provocando el desplazamiento hasta el centro para analizar el motivo de la incomunicación. De esta manera, se reducen los costes de mantenimiento. Figura 16: Solución UMTS Los operadores móviles están desarrollando plataformas genéricas M2M orientadas a permitir al cliente la monitorización de su propia planta: monitorización de las tarjetas SIM M2M, detección de incidencias y realización de cambios de 12 configuración. Esto permite a Iberdrola gestionar sus servicios de datos móviles directamente sobre las infraestructuras de cada operador. Después de la realización de una serie de pruebas, se definirá la arquitectura de telecomunicaciones para el transporte de los servicios de la Smart Grid. En este proyecto se va a centrar en como optimizar dicha red y las posibles soluciones para las especificaciones que exigen la alta prioridad de las aplicaciones de la Smart Grid con conectividad móvil de datos. 1.6 Planteamiento del problema La red pública móvil de datos está disponible en muchas aplicaciones dirigidas a los ciudadanos. Sin embargo, cuando las capacidades de estas redes son analizadas para el despliegue de la Smart Grid, se comprueba que aunque permitan generar grandes ahorros, no son adecuadas para los requisitos establecidos por las aplicaciones de Misión Crítica de los sistemas de distribución de energía. La principal razón de este inconveniente es la exposición de las aplicaciones de Misión Crítica de Iberdrola al tráfico de otros usuarios que está creciendo de forma exponencial con la aparición de los smartphones. Por otro lado, las redes de los operadores móviles no tienen en cuenta las necesidades específicas del tráfico de Misión Crítica ni en la red de acceso ni en el núcleo de red. Las redes móviles sólo dan prioridad a las conexiones de voz (conmutación de circuitos). No tienen en cuenta que puede haber en sus redes aplicaciones con una criticidad alta que deberían tener una prioridad mayor que la voz. La red móvil actual no está diseñada para soportar un tráfico de pequeño tamaño y una comunicación crítica. Funcionalmente se ha desarrollado para soportar principalmente comunicaciones entre seres humanos y un alto tráfico. Los mecanismos de priorización que presentan las redes móviles son adecuados para un uso típico de descarga o tratamiento de voz. Este proyecto se centra en determinar el mejor camino que pueden seguir Iberdrola usando las redes móviles para la Smart Grid a fin de que los operadores 13 móviles puedan adaptar los servicios que ofrecen a los requerimientos demandados por las aplicaciones de Misión Crítica. Con las adaptaciones que se desarrollen más adelante, se espera: Nuevos servicios de calidad que se adapten a las necesidades de las aplicaciones de Misión Crítica. Gestión de la red en cada momento para prever fallos. Asegurar un alto porcentaje (99.99%) de disponibilidad de los recursos radio para las aplicaciones de Misión Crítica en el momento en que sean necesarios. Alta prioridad frente a otro tipo de tráfico. Asegurar los recursos radio en los Nodos B en situaciones de alta congestión. Se pretende demostrar que los operadores públicos de redes móviles son capaces de dar el rendimiento que necesita el tráfico de las aplicaciones de Misión Crítica. Iberdrola se presenta como una empresa pionera debido a sus planes de desarrollo de unas soluciones alternativas que puedan ser implementadas y así poder hacer factible mecanismos que no están disponibles en la actualidad en las redes móviles. 14 2. ESTADO DE LA CUESTIÓN Con este apartado se analiza los distintos tipos de tecnologías para comunicar los datos en la Smart Grid y el grado de cumplimiento actual de la tecnología móvil de datos para dar servicios de la Smart Grid. 2.1 Tipos de tecnologías para comunicaciones de datos en la Smart Grid El objetivo del proyecto es dotar de comunicaciones a los CTs para lo cual se hace uso de distintas tecnologías. Estas tecnologías están implementadas sobre la red propia de Iberdrola y sobre la red de operadores. La elección sobre que tecnología utilizar en cada CT depende de muchos factores: diseño de la topología de la red, distancia con otros CTs, el volumen de CTs (alrededor de 80.000), las ubicaciones diversas (centro de ciudades, instalaciones rurales, lugares de difícil acceso, etc), las funciones que llevan asociadas (telegestión, automatización, telecontrol y supervisión) y las limitaciones de las tecnologías disponibles. Iberdrola ha desarrollado una importante red propia de comunicaciones. A continuación se exponen las distintas tecnologías para la comunicación de datos implantado por Iberdrola y los problemas que presentan en comparación con las comunicaciones móviles. 2.1.1 Fibra óptica La fibra óptica permite la transmisión mediante pulsos de luz que representan los datos a transmitir. Se lleva a cabo por dos principios físicos: refracción4 y reflexión5. Las velocidades son superiores a las de cable convencional. La fibra óptica se utiliza ampliamente para comunicar subestaciones primarias ya que permite enviar gran cantidad de datos sin ser afectadas por interferencias electromagnéticas. Las ventajas de la fibra óptica son: libres de interferencia electromagnética, alta fiabilidad junto con una larga vida operativa y son capaces de soportar grandes anchos de banda a altas velocidades de transmisión de datos. Las desventajas de la fibra óptica 4 5 Cambio de dirección que presentan las ondas cuando pasan de un medio a otro. Cambio de dirección que presenta las ondas cuando inciden sobre una superficie reflejándose 15 son: necesidad de un alto grado de precisión cuando se conectan cables y los grandes costes que presenta su instalación a diferencia de otras tecnologías. Iberdrola tiene su propia red de fibra óptica desplegada. Sin embargo, al tratarse de una empresa energética no son viables las grandes inversiones que habría que hacer en comparación con una operadora de telecomunicaciones que recibe compensación a medio plazo. Los trabajos que implican llegar con fibra óptica a un CT dependen de los lugares de los mismos. Otro problema es que las canalizaciones de cables eléctricos de Iberdrola pueden que no sean óptimos para fibra óptica debido a su ubicación u otros problemas que puedan surgir. 2.1.2 ADSL La línea de abonado digital asimétrica (ADSL en inglés Asymetric Digital Subscriber Line) permite una conexión con acceso asimétrico y de alta velocidad a través de par de cobre. Permite un acceso a Internet de banda ancha dando una velocidad superior a una conexión por modem en la transferencia de datos. El uso de cableado de par de cobre implica tener menos ancho de banda que otras tecnologías. Una desventaja importante es que la Calidad del Servicio depende de factores externos, como interferencias en el cable o distancias a la central, provocando fluctuaciones. Iberdrola obtiene la tecnología ADSL mediante el operador de telecomunicaciones que lo proporciona. Esto implica una serie de desventajas como una inversión importante para adecuar las infraestructuras si el CT está fuera de la zona de edificios. Aunque haya una arqueta cerca, no sale rentable su implantación debido a que es necesario abrir una canalización aunque sean pocos metros. 2.1.3 PLC La comunicación mediante cable eléctrico (PLC en inglés Power Line Communication) consiste en utilizar las líneas de energía eléctrica existentes para la transmisión y recepción de señales de radio a alta velocidad. Se va a transportar la señal eléctrica y la señal de telecomunicaciones sobre la misma línea usando “acoplamientos” 16 y diferentes frecuencias. Esta tecnología tiene una rápida y fácil implantación requiriendo solamente la instalación de los equipos de comunicaciones. La Banda ancha sobre líneas eléctricas (BPL en inglés Broadband over Power Lines) es una conexión inalámbrica que usa medios guiados. BPL está basado en el uso de la tecnología PLC mediante banda ancha a través de líneas de energía ordinarias. Los sistemas de BPL usan la multiplicación por división de frecuencias ortogonales permitiendo minimizar la interferencia con los servicios de radio. Iberdrola dispone de redes privadas de cable sobre las cuales se pueden inyectar las señales. Iberdrola hace uso de esta tecnología con el fin de unir diferentes CTs situados a poca distancia entre ellos, para poder mandar la información de cada CT a un CT distinto que actúa como concentrador. Este enviará toda la información recogida, mediante otras tecnologías consideradas más óptimas, para comunicar con los dos CPDs de Iberdrola situados en Madrid y Bilbao (red troncal). Estas tecnologías no son viables para los casos en los que hay CT aislados porque depende de las especificaciones técnicas que tenga PLC. Además, presenta ciertas limitaciones: la red de distribución eléctrica no fue diseñada con el fin de transmitir datos por lo que el rango de altas frecuencias pueden escaparse en forma de radiación electromagnética. 2.1.4 Comunicaciones móviles La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) define en el Reglamento de Radiocomunicaciones el servicio móvil como el servicio de radiocomunicaciones que se presta entre estaciones móviles y terrestres o entre estaciones móviles. El acceso es vía radio a los abonados de telefonía, de manera que puedan realizar y recibir llamadas dentro del área de cobertura del sistema. Existen dos modalidades: la transmisión analógica y la transmisión digital. Tiene diversas bandas de frecuencia en UHF: 450, 900, 1.800, 1.900 y 2.100 MHz. Las principales características son: gran capacidad de usuarios, utilización eficiente del espectro y amplia cobertura. [COMU12] La filosofía es utilizar estaciones base de pequeña y media potencia y dar servicio a un área más limitada. La zona de cobertura a la que da servicio una estación base se 17 conoce como “célula”. La gran ventaja de estos sistemas es que si las células están suficientemente alejadas podrán reutilizar el mismo radiocanal debido a que la señal interferente se atenúa con la distancia. En general, una red de comunicaciones móviles presenta una estructura general que según el tipo de generación (2G, 3G o 4G) aparecen nuevos elementos. La estructura es: Estaciones móviles (MS): son los equipos que suministran el servicio a los usuarios, en el lugar, instante y formato adecuado. Cada estación móvil puede actuar en modo emisor, receptor o en ambos nodos. Estaciones base (BTS): envían y reciben llamadas y otros servicios. Deben estar ubicadas cerca de los usuarios de teléfonos móviles para permitir una buena calidad en la recepción al ser el encargado de mantener el enlace radioeléctrico. Estación de control (BSC): realiza las funciones de gestión y mantenimiento del servicio. Centros de conmutación (MSC): tiene como función interconectar usuarios de la red fija con la red móvil, o usuarios de la red móvil entre sí. Al mismo tiempo mantienen las bases de datos para tratar las peticiones de llamada de los clientes. Figura 17: Conexión entre redes telefónicas móviles, fijas y de datos [COMU12] 18 Por la cobertura que ofrecen, las comunicaciones móviles son el medio más óptimo para la transmisión de la información hacia los puntos de entrada de Iberdrola. Sin embargo, se han valorado una serie de deficiencias que nadie ha llegado a cubrir. Por lo tanto, el desarrollo de este proyecto tiene como objetivo encontrar mejoras para que las comunicaciones móviles sean un medio factible con respecto a las necesidades que presenta Iberdrola. El proyecto se centra en la tecnología 3G (UMTS). La razón es porque la tecnología 2G ha dejado de desplegarse en Iberdrola debido a que la tecnología UMTS es más avanzada y los operadores tienen un despliegue masivo en sus redes con estas tecnologías permitiendo más capacidad que es lo demandado por Iberdrola. 2.2 Telecomunicaciones móviles de datos para la Smart Grid Se analiza el estado de cumplimiento por parte de los operadores, a los requerimientos para la transmisión de datos de la Smart Grid, centrado principalmente en las aplicaciones de Misión Crítica. Las redes de telecomunicaciones referidas a datos móviles tienen que cumplir con los siguientes requisitos críticos de la Smart Grid: Redundancia: se hace diseñando dos tarjetas SIM. La interconexión troncal con cada operador de telecomunicaciones será también redundante a través de dos ubicaciones distintas. Nivel de cumplimiento: alto. Se ha podido llevar a cabo este nivel de redundancia. APN (Access Point Name): específicas APN para las aplicaciones en la red móvil de datos. Nivel de cumplimiento: alto. La red 3G podría proporcionar esta funcionalidad. Autonomía de la batería de la Estación Base: las aplicaciones de las redes inteligentes no pueden depender de una red de telecomunicaciones que no se ha diseñado con la suficiente autonomía de la batería (por lo menos, 3 horas) por si 19 se produce una avería en la red eléctrica y este fallo también podría afectar a la fuente de suministro de la Estaciones Base. Nivel de cumplimiento: medio. Para cumplir este requisito es necesario que los operadores de telecomunicaciones inviertan en las baterías. Cobertura: es importante saber cuáles son los planes que el operador de telecomunicaciones tiene con respecto al mantenimiento de la actual cobertura 2G y el despliegue de la tecnología 3G. Nivel de cumplimiento: alto. Los operadores han creado Single RAN que permite cambiar automáticamente en una misma Estación Base de tecnología 2G a 3G o incluso usar ambas de forma simultánea. Gestión: se necesitará una solución totalmente gestionada para control de calidad, supervisión de alarmas, inventario de servicio, informes de tráfico, gestión de facturas, aprovisionamiento, etc. Nivel de cumplimiento: medio. Nuevas plataformas M2M móvil se están desarrollando por parte de los operadores. Sin embargo, estas plataformas M2M prestan servicios básicos. Selección de la red de acceso: se plantea que los dispositivos tengan la inteligencia para ser capaces de seleccionar entre dos redes distintas en función de la información especificada por el usuario del dispositivo móvil. Nivel de cumplimiento: bajo. Actualmente no existe ningún mecanismo. Debido a la falta de cumplimiento de estos requerimientos, existen carencias que nadie ha investigado. Este proyecto va hacer hincapié en estos niveles de cumplimento además de otros nuevos propuestos para poder usar este tipo de comunicaciones móviles en las aplicaciones de Misión Crítica demandados por Iberdrola. 20 3. ALCANCE DEL PROYECTO 3.1 Motivación El mundo crece hacia el desarrollo de nuevas tecnologías que incentivan la conciencia social respecto a la protección del medio ambiente. Actualmente se habla de muchas nuevas tecnologías que empiezan por Smart. El principal motivo por el que se ha desarrollado este proyecto es porque la implementación de la Smart Grid tiene el propósito de aumentar los beneficios medioambientales mediante la gestión de la demanda de energía eléctrica así como mejorar la calidad del suministro y aumentar la eficiencia de las operaciones. La demanda de este tipo de tecnología aumenta y su desarrollo permitirá aumentar la inteligencia de estas redes que se están desarrollando. Un factor a tener en cuenta es que en la actualidad el ahorro energético es algo necesario tanto para las empresas como para el usuario final en su casa. Este proyecto va muy asociado a los objetivos principales de la política energética europea que ya se han comentado. Este proyecto se centrará en la comunicación de redes de datos móviles. Se estudiará la viabilidad mediante la definición de nuevas adaptaciones tanto en la red privada de Iberdrola como en la red pública del operador móvil para conseguir sus objetivos y poder conseguir muchas ventajas: la eficiencia de la energía, bajar el consumo en los hogares, mejor control, rápida intervención en caso de fallo, etc. 3.2 Objetivos El objetivo principal es la evolución de las capacidades de control y la gestión M2M de las redes móviles hacia requisitos específicos de las aplicaciones de Misión Crítica de la Smart Grid. Para lograr este objetivo primordial, este proyecto se va a centrar en los siguientes objetivos secundarios: 21 Proponer los requisitos de telecomunicaciones demandados por las aplicaciones de Misión Crítica de la Smart Grid que se quieren aplicar sobre redes móviles 3G. En base a las capacidades de las redes móviles 3G, se definen las adaptaciones necesarias para complementar las capacidades actuales de las redes de los operadores de forma que puedan cubrir los requisitos planteados. Conseguir minimizar la falta de adecuación de las aplicaciones de Misión Crítica en las redes móviles debido a que estas redes están diseñadas para satisfacer otras necesidades. Estas adaptaciones deben ser unas mejoras innovadoras. Pueden ser recogidas en dos categorías: Gestión: optimizar el uso de las plataformas M2M de los operadores en la actualidad, el centro de gestión de red de Iberdrola y los dispositivos terminales para obtener información valiosa en la gestión. Esto se realiza mediante: Funciones no explotadas. Integrar información y alarmas de las distintas fuentes. Control: se propondrá una mejora en la conectividad mediante un algoritmo que tenga en cuenta las capacidades de las redes móviles. Este algoritmo se incorpora en los dispositivos. Además se tendrá en cuenta otras mejoras como la priorización. Se pretende que las adaptaciones mejoren el rendimiento de las aplicaciones de Misión Crítica de dos maneras: Cambiando parámetros de la red móvil de forma permanente. Accediendo dinámicamente desde los equipos terminales a las capacidades de las redes móviles. Diseño de la arquitectura de cada adaptación innovadora en las redes móviles. Los objetivos secundarios se relacionan entre si y se derivan, en mayor o menor medida, del principal. 22 3.3 Metodología Este proyecto se centra en la búsqueda de adaptaciones en la red móvil existente para cubrir los requisitos de la Smart Grid. La metodología que se ha seguido es la siguiente: Figura 18: Metodología desarrollo proyecto La primera etapa de este proyecto consiste en proponer y clasificar los requisitos propuestos que demandan las aplicaciones de Misión Crítica de la Smart Grid de Iberdrola. Finalizado esta etapa, se analizan las capacidades que tienen las actuales redes móviles centrándonos en la parte de datos 3G. Posteriormente se procede a juntar ambos para desarrollar las mejores adaptaciones que puedan ofrecer un punto de encuentro entre los requisitos y las capacidades de las redes móviles. La última parte consiste en diseñar estas adaptaciones que resulten viables en ambas arquitecturas (Iberdrola y operadores de redes móviles contratados). Este proceso es cíclico a lo largo de todo el proyecto porque si una de las adaptaciones no se puede llevar a cabo entonces se vuelve a realizar todos estos pasos para plantear una nueva adaptación en base a la que no se ha podido resolver. 23 3.4 Recursos a emplear En este apartado se va a describir cada uno de los recursos y herramientas que se emplean en el desarrollo del proyecto. Adicionalmente se llevará a cabo una explicación de los mismos. Las herramientas que se van a emplear para el desarrollo de este proyecto son: Centro de Gestión de Red (CGR): Es el sistema de supervisión privado de la red de Iberdrola. Está formado por unas plataformas las cuales cada una tiene una función: Sistema SNMPc (SNMP castle rock) para verificar la conectividad con el equipo remoto. Gestión y Administración de direccionamiento IP (GADIP) para recoger el inventario de datos de configuración de equipos y tráfico. Sistema Integrador de alarmas de comunicaciones (SIAC) para las alarmas de los equipos. Plataformas M2M de dos operadores móviles. Cada operador facilita una plataforma con interfaces distintas pero funcionalidad parecida. APIs de las plataformas para conseguir información personalizada. Estas APIs proporcionan la integración de las funcionalidades del producto en los sistemas del cliente. Red privada de telecomunicaciones de Iberdrola. Aplicaciones de Misión Crítica. Son los servicios de telecontrol, automatización y supervisión de la Smart Grid necesarios en tiempo real. Tarjetas inteligentes llamadas SIM M2M. Routers capaces de admitir dos tarjetas SIM M2M aunque con un solo módulo radio. Herramientas para la monitorización de la red: Zabbix. ExPing. 24 Red móvil de datos de dos operadores: Red acceso. Núcleo de red. OSS. Por parte del estudio de las adaptaciones de las redes móviles, se necesitan los recursos que aportan los operadores móviles para conocer su infraestructura y poder aplicarlo a las nuevas adaptaciones. 25 26 4. PLANIFICACIÓN Y ESTIMACIÓN ECONÓMICA La planificación del desarrollo del proyecto viene definida en el diagrama de Gantt. El proyecto comenzó el día 3 de febrero y finaliza el día 26 de mayo con la entrega de toda la documentación del mismo. Para la supervisión el proyecto se ha establecido un coordinador en la Universidad Pontificia de Comillas (ICAI) y un tutor en la empresa Iberdrola donde se lleva a cabo el desarrollo del proyecto. Figura 19: Diagrama de Gantt Después de establecer el coste temporal del proyecto, se estima el coste económico del mismo desde el punto de vista de Iberdrola. No se valora el coste de los elementos que pertenecen a la red de los operadores móviles porque es desconocido. Se lleva a cabo una división en coste de hardware, software, cursos formación y personal. Coste hardware Para la elaboración del proyecto se ha necesitado un PC de mesa y cuatro routers 3G para comprobar la viabilidad de unas pruebas que deben cumplir los operadores móviles. 27 Estos dispositivos no forman parte del producto final puesto que no son los dispositivos que se van a entregar al cliente final. Solo se necesitan para comprobar la viabilidad de ciertas adaptaciones del proyecto. Coste Software Se usan sistemas internos de Iberdrola que ya han sido desarrollados y servicios de los operadores móviles por lo que el coste es 0 Euros. Además, los softwares para la comprobación de unas pruebas realizadas son open source y por lo tanto su coste es de 0 Euros. Para la realización de la memoria y la posterior presentación se va a emplear el paquete Office que viene ya con el PC de mesa. Hay que tener en cuenta que existen unos costes indirectos del puesto de trabajo, el software está incluido en ellos, que ascienden a 1.000 Euros/mes. Por lo tanto el coste total es de 1.000Euros x 4 meses= 4.000 Euros. Coste cursos formación También fueron necesarios varios cursos acerca de la introducción de las plataformas M2M y las APIs de los operadores móviles para su estudio y posterior uso y desarrollo. También se requirió un curso interno en Iberdrola acerca del Centro de Gestión de Red y sus diferentes sistemas. El coste total de los cursos de formación asciende a un valor de 3.500 Euros. Coste personal Como en la planificación se muestra, el proyecto tiene una duración de 4 meses de los cuales se ha trabajado 3 días a la semana y 6 horas al día. Hay que añadir un trabajo extra en casa de redacción de memoria de 2 horas a la semana. Esto da un trabajo semanal total de 20 horas que es lo establecido para la realización del trabajo fin de grado. El total de horas del proyecto es de aproximadamente 4 meses x 4 semanas x 20 horas= 320 horas. 28 Según la distintas adaptaciones, se ha llevado a cabo diferentes roles los cuales tienen distintos precios. Se han realizado diferentes tareas con distintos perfiles: Se considera la categoría de analista, cuyo salario es de 40 Euros/ hora, para poder llevar a cabo lo siguiente: Se ha tardado 15 días en llevar a cabo la recogida de los requisitos de las aplicaciones de Misión Crítica sobre las redes móviles. Por lo tanto el coste es de 40 Euros x 15 días x 6 horas = 3.600 Euros. Se ha tardado 40 días en el desarrollo de las adaptaciones. Por lo tanto el coste es de 40 Euros x 40 días x 6 horas = 9.600 Euros. Se ha tardado 25 días en el diseño de la arquitectura de cada adaptación. Por lo tanto el coste es de 40 Euros x 25 días x 6 horas = 6.000 Euros. Ejecución de las pruebas de laboratorio. Han sido un total de 3 pruebas: Prueba 1: prueba de 48 horas con comportamiento normal establecido por Iberdrola. El coste es de 40 Euros x 6 días x 6 horas = 1.440 Euros. Prueba 2: prueba de 48 horas cuando se deshabilita el estado URA. El coste es de 40 Euros x 3 días x 6 horas = 720 Euros. Prueba 3: prueba añadiendo tráfico adicional diariamente. El coste es de 40 Euros x 3 días x 6 horas = 720 Euros. Desarrollo orientativo del sistema para la recogida del inventario en el sistema GADIP. El coste es de 40 Euros x 5 días x 6 horas = 1.200 Euros. Se considera la categoría de programador, cuyo salario es de 35 Euros/hora, para poder llevar a cabo lo siguiente: Desarrollo del código MIB de los traps. Se ha tardado dos días en llevarlo a cabo y por lo tanto el coste es de 35 Euros x 2 días x 6 horas = 420 Euros. 29 Se considera la categoría de jefe de proyecto, cuyo salario es de 50 Euros/hora, para poder llevar a cabo una planificación, ejecución y control de todo el proyecto. Por lo tanto, sabiendo que solo se trabaja como jefe de proyecto durante las horas de presencia en Iberdrola, el tiempo de presencia es 4 meses x 4 semanas x 3 días x 6 horas x 50 Euros= 288 horas por lo que el coste total es 288 horas x 50 Euros= 14.400 Euros. Descripción Precio Costes indirectos 4.000 Euros Cursos de formación 3.500 Euros TOTAL 7.500 Euros Tabla 2: Resumen costes material Perfil Analista Analista Analista Analista Analista Analista Analista Programador Jefe de proyecto TOTAL Descripción trabajo Análisis requisitos aplicaciones de Misión Crítica Desarrollo adaptaciones Diseño arquitectura Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Sistema inventario GADIP Desarrollo código MIB Coordinación de todo el proyecto Duración Precio 15 días 3.600 Euros 40 días 25 días 6 días 3 días 3 días 5 días 2 días 9.600 Euros 6.000 Euros 1.440 Euros 720 Euros 720 Euros 1.200 Euros 420 Euros 48 días 14.400 Euros 38.100 Euros Tabla 3: Resumen costes personal Descripción Total costes materiales Total costes personal TOTAL Tabla 4: Costes totales Precio 7.500 Euros 38.100 Euros 45.600 Euros 30 5. DEFINICIÓN DE REQUISITOS En este apartado se detallan los requisitos de telecomunicaciones para transportar servicios de la Smart Grid sobre redes de operadores móviles 3G. Estos requerimientos son esenciales para el correcto funcionamiento de las aplicaciones de Misión Crítica de Iberdrola. Se dividirán los requisitos en cuatro planos: usuario, básico, gestión y control. Se seguirá la siguiente nomenclatura (R.X.y.z) donde: R indica requisito. X indica el plano: U: usuario. B: básico. G: gestión. C: control. y indica el número de requisito dentro de cada plano. z indica el requisito que depende de y. Se detallan los tipos de requisitos demandados junto con una breve descripción de los mismos. 5.1 Requisitos plano usuario Se basa en la necesidad de transportar todos los servicios definidos por Iberdrola desde un punto remoto hasta un punto de concentración de acceso a su red privada (routers troncales) pasando por la red móvil pública. Este proyecto solo se centra en las aplicaciones de Misión Crítica por lo tanto solo se hará hincapié en los servicios de automatización, supervisión y telecontrol. La figura 20 muestra la arquitectura global del proyecto basada en conectividad móvil de datos para la Smart Grid. 31 Figura 20: Arquitectura solución servicios Smart Grid con conectividad móvil de datos Los requisitos de las conexiones troncales (sede 1 y sede 2) y de las conexiones terminales serán diferentes. Se requiere una conexión MPLS terrestre en las conexiones troncales y una solución UMTS en las conexiones terminales. Las conexiones troncales deben tener una redundancia completa entre ellas. De esta forma, se garantizará que se pueda balancear o pasar la carga de una de las conexiones hacia la otra. A continuación, se presentan los valores mínimos requeridos en el plano de usuario. Estos requisitos son los que caracterizan a las aplicaciones de misión Crítica. Respecto a la disponibilidad, será obligatorio establecer SLA del operador para la comunicación con Iberdrola. R.U.1 Indicadores productivos Se van a tener en cuenta los siguientes: Disponibilidad anual para los servicios GPRS/UMTS: 99.98%. 32 Disponibilidad anual en las interconexiones troncales: 99.85%. Tiempo máximo en resolución de averías que supongan la caída de servicio en las instalaciones terminales cubiertas con más de 5 Nodos B: 2 horas. Tiempo máximo en resolución de averías que supongan la caída de servicio en las instalaciones terminales cubiertas con menos de 5 Nodos B: 12 horas. Tiempo máximo de resolución de averías en las interconexiones troncales siempre que no sean simultaneas en las dos interconexiones troncales: 8 horas. Número máximo de averías anuales por interconexión troncal: 2. Número máximo de averías anuales que supongan caída de servicio en las instalaciones terminales cubiertas con más de 5 Nodos B: 2. Número máximo de averías anuales que supongan caída de servicio en las instalaciones terminales cubiertas con menos de 5 Nodos B: 4. Tiempo máximo de corte programado que supongan caída de servicio en las instalaciones terminales cubiertas con más de 5 Nodos B: 2 horas. Tiempo máximo de corte programado que supongan caída de servicio en las instalaciones terminales cubiertas con menos de 5 Nodos B: 4 horas. Número máximo de cortes programados anuales que supongan caída de servicio en las instalaciones terminales cubiertas con más de 5 Nodos B: 2. Número máximo de cortes programados anuales que supongan caída de servicio en las instalaciones terminales cubiertas con menos de 5 Nodos B: 6. R.U.2 Indicadores relacionados con el rendimiento Se van a tener en cuenta los siguientes: Latencia máxima (ida y vuelta) para una prioridad estricta. Es el tiempo empleado en ida y vuelta del paquete entre los routers instalados en las sedes de Iberdrola y los puntos terminales remotos. Tecnología Latencia GPRS 450 ms UMTS 200 ms Tabla 5: Latencia de acuerdo a la tecnología móvil 33 Jitter máximo para una prioridad estricta. Es la variación del tiempo entre la llegada de distintos paquetes. Se ha establecido 15 ms. Máxima perdida de paquetes para una prioridad estricta. Es el porcentaje de paquetes que se pierden en la red durante el transporte de los mismos. Se ha establecido que no se puede superar el 1% de pérdida de paquetes. Throughput mínimo garantizado. Es el volumen de información que fluye en las redes de datos, es decir, es la velocidad media que se alcanza en una transferencia de información. Subida: 4kbps. Bajada: 4kbps. R.U.3 Redundancia Son necesarios caminos secundarios para mejorar la fiabilidad y disponibilidad. La redundancia en los nodos de la red GGSN/SGSN, ha de permitir garantizar la continuidad del servicio en caso de caída o fallo de alguno de ellos. En ningún caso la caída de uno o varios de estos nodos tiene que implicar la caída del servicio, ya que la red tiene que garantizar en todo momento que sean reasignadas automáticamente a otro nodo GGSN/SGSN. Cada nodo SGSN deberá ser capaz de gestionar por sí solo, toda el direccionamiento contratado por Iberdrola. R.U.4 Criticidad Se define un parámetro llamado criticidad. Hace referencia al impacto global de una serie de cumplimientos dentro de unos límites de tiempo predefinidos. Se incluye como un parámetro importante dentro de las aplicaciones de Misión Crítica que determina como de importante es el tiempo en el traspaso de información. Se define la criticidad en tres niveles en función del riesgo asociado: Extremo: si se pierde el tiempo límite, es un completo fracaso. Alto: será tolerado si falta poco tiempo pero se degrada la QoS. Bajo: cuando se pasa el límite de tiempo, se va degradando los resultados. 34 Aplicaciones Smart Grid Nivel de criticidad Misión Crítica Alto No son de Misión Crítica Bajo Tabla 6: Niveles que requieren las aplicaciones de la Smart Grid 5.2 Requisitos básicos operadores Los operadores deben tener en cuenta una serie de requisitos que Iberdrola considera básicos. R.B.1 Grado cobertura UMTS demandada a los operadores y sus planes futuros. Cada operador debe disponer de una infraestructura UMTS con amplia cobertura geográfica nacional, capaz de cubrir el 95% del territorio que englobe los CTs. Sin embargo, se desconoce el tiempo que van a tener los operadores está tecnología y el desarrollo que prevén en ella. Por todo esto, es importante saber la situación actual de los operadores y sus planes futuros (roadmap) relacionados con las bandas asignadas a UMTS en la medida en que esto afecte a los requisitos de los routers a instalar en los CTs. R.B.2 Redundancia automática Cada operador debe facilitar una infraestructura móvil UMTS con plena redundancia en la capa de núcleo con el fin de conseguir la disponibilidad requerida. La redundancia automática debe presentarse sobre todo en los siguientes elementos de la capa de núcleo: HLR, GGSN y SSGN. 5.3 Requisitos básicos dispositivos Los fabricantes de dispositivos terminales deben tener en cuenta una serie de requisitos que Iberdrola considera básicos. 35 R.B.3 Ubicación dispositivos proyecto STAR Hay que tener en cuenta que los router se ubican en instalaciones eléctricas. Esto significa que los dispositivos deben cumplir con los requisitos de compatibilidad electromagnética para este tipo de centros. Los equipos serán ubicados en armarios en el interior de las instalaciones que lo permitan y en armarios a la intemperie en el resto de los casos. R.B.4 Doble tarjeta SIM M2M en los dispositivos para el respaldo automático de las comunicaciones Debido a la criticidad de los servicios de Iberdrola, los routers con interfaces WAN 3G han de tener la capacidad de conectarse a dos redes de operadores 3G distintas, para poder conmutar de una a otra en caso necesario. Por este motivo, los routers deben tener dos tarjetas SIM M2M de distintos operadores móviles (operador principal y operador secundario) pudiendo compartir para dichas tarjetas un único chip de radio para reducir el coste. R.B.5 Routers con acceso a redes móviles y tratamiento de tráfico Los routers proporcionarán acceso a redes de operadores que permitan transportar servicios a los negocios de Iberdrola. Además realizarán funciones de agregación, separación y clasificación de tráficos a Nivel 2 y a Nivel 3. R.B.6 Protocolos de redes El dispositivo de comunicaciones debe disponer de un gran número de protocolos de redes, con facilidades avanzadas de routing y técnicas especiales de soporte de fallos. Los protocolos más importantes son SNMP RIP y DMVPN. R.B.7 Nuevas versiones de software El suministrador informará a Iberdrola de las nuevas versiones de software. Además debe estar abierto a propuestas que proponga Iberdrola. 36 5.4 Requisitos plano gestión En el plano de gestión, la necesidad de Iberdrola es tener la mayor información posible. Con esto se consigue una mejor visión de los problemas y una rápida actuación sobre ellos. Las fuentes deben ser las dos plataformas M2M de los operadores y los dispositivos terminales. 5.4.1 Requisitos plano de gestión que deben cumplir los dispositivos referidos a la información. A continuación se detallan cada uno de los requisitos relacionados con la información de los dispositivos. R.G.1 Información de los dispositivos al CGR El CGR requiere de los dispositivos el envío de información para mantener una supervisión de los mismos. La información se recogería por el sistema GADIP que contiene el inventario de los dispositivos y el tráfico de los mismos. La información que se obtendría sería: ICC: corresponde al número de identificación de la tarjeta SIM en la red móvil. IMSI: es el identificador universal de usuario GSM. Este dato es almacenado por la tarjeta SIM M2M. IMEI: es el número de identificación del dispositivo en la red a nivel internacional. Permite que los operadores controlen el acceso de un terminal concreto a sus redes móviles. Dirección IP. Nivel de cobertura recogido en cada momento. APN con el que comunica el dispositivo. Tráfico cursado por cada tarjeta. Este valor servirá para compararlo con el tráfico dado por las plataformas M2M. También hay que tener en cuenta que con esto se puede llevar a cabo la correlación del tráfico que recoge el CGR con el tráfico que recoge cada plataforma M2M y así poder comprobar la correcta medida. Se mide en bytes recibidos y bytes enviados. 37 Tráfico diario. Tráfico mensual. Modelo del dispositivo. Versión del dispositivo. Número de cambios de operador. Con este dato se determinará la disponibilidad de cada operador e incumplimientos de lo que se ha considerado condiciones mínimas que garantizan la correcta comunicación. En el CGR hay parámetros que aportan la fecha de cambio de operador (hora del último cambio) pero no indican el número de cambios de operador que han ocurrido. Por lo tanto, este dato es un requisito para poder analizar de una manera más eficiente el cambio de operador y controlar las fluctuaciones constantemente. 5.4.2 Requisitos plano de gestión que deben cumplir los operadores referidos a la información A continuación se detallan cada uno de los requisitos relacionados con la información de las redes de los operadores móviles. R.G.2 Información de la red móvil y de las tarjetas SIM M2M recogidas por las plataformas M2M de los operadores Iberdrola necesita que las plataformas M2M recojan información sobre la red y los dispositivos. Se demanda que la siguiente información se muestre en las plataformas M2M en un periodo corto de tiempo (se actualicen los datos cada 30 minutos como máximo). También se requiere que se envíe al CGR para el procesado y la correlación de la información por parte de Iberdrola. La información más significativa que se quiere recoger cada vez que se produzca un cambio sería: ICC. IMSI. IP pública. Cell Id. 38 APN. Ciclo de vida de una tarjeta SIM: define todos los estados así como las transiciones entre ellos que gobiernan el comportamiento de una tarjeta SIM M2M. Los operadores podrán distinguir los siguientes estados de la tarjeta SIM: No provisionada, no activa o anulada. La tarjeta no está operativa para poder enviar tráfico a través de ella. Provisionada. La tarjeta está provisionada para poder enviar tráfico a través de ella pero no es facturable porque todavía no ha generado tráfico. Prueba. Estado intermedio donde la tarjeta no es facturable porque todavía no ha generado un tráfico determinado. Operativa, activa o en servicio. La tarjeta está en servicio y es facturable. Estación Base/Nodo B último a la que se conectó la tarjeta SIM. Número de tarjetas GPRS en servicio. Número de tarjetas UMTS en servicio. La información más significativa que se quiere recoger cada 30 minutos sería: Tráfico cursado por cada tarjeta SIM M2M. Nivel de cobertura: este dato se da en dBm en cada coordenada geográfica. Este dato aporta mucha información acerca de la calidad de servicio. Saber el nivel de cobertura de cada CT implica establecer el mejor operador en cada uno de ellos. Nivel de congestión: es importante conocer este dato tanto en la red de acceso como en el núcleo de red. R.G.3 Informes Se quiere tener una serie de informes para poder tener un mayor control. Los informes demandados serían: Parámetros de Calidad de Servicio: Congestión de la red. Cobertura de la red. 39 Ancho de banda. Latencia. Pérdida de paquetes. Jitter. Throughput. Consumo y gasto: Tráfico diario. Esta información tiene como objetivo conseguir el control de anomalías, optimizar el tráfico, análisis para mejoras en la red, cumplimiento de la proporción de tráfico otorgado al operador principal y al operador secundario. Detalle de gasto diario. Información detallada de todos los gastos de Iberdrola durante un periodo de días. Supervisión: Localización. Ofrecer información de la localización para todas las líneas de un grupo de supervisión concreto de Iberdrola. R.G.3.1 Formato informes El módulo de informes debe permitir la generación de los tipos de informes, detallados en R.G.3, en la máquina local del usuario en el formato CSV y otros: Excel y PDF. R.G.4 Roadmap plataformas M2M Iberdrola debe conocer el roadmap de las plataformas M2M de los operadores. Se requiere el detalle de las nuevas funcionalidades ofrecidas en las diferentes versiones de estas plataformas. 5.4.3 Requisitos plano gestión que debe cumplir el CGR referidos a la información A continuación se detallan cada uno de los requisitos relacionados con el análisis de la información en el CGR. 40 R.G.5 Definición nuevos SLA El objetivo de los SLA (Acuerdos de Nivel de Servicio) es garantizar al cliente el correcto funcionamiento de los servicios demandados. Para ello, se definen una serie de parámetros que miden determinadas características de los servicios. Mediante SLA se acotan los valores que pueden alcanzar estos parámetros, habitualmente en términos de máximos y mínimos. El cliente será informado regularmente sobre los valores alcanzados por los parámetros mediante los pertinentes informes, y en caso de incumplimiento del SLA, el cliente penalizará al proveedor. Con la información recogida en cada uno de los informes de R.G.3 referidos a la calidad de servicio, se quiere establecer nuevos SLA y así poder analizar el servicio dado por cada operadora contratada. Para llevar a cabo todos los grados de cumplimiento que se desean se deberá medir los parámetros críticos que Iberdrola considere oportunos y así poder establecer SLA. R.G.6 Integración plataformas M2M con el CGR de Iberdrola Las plataformas deben integrarse con el CGR de Iberdrola a través de una conexión segura, de modo que el envío por parte de las plataformas M2M será recibido y procesado correctamente en el servidor de gestión de red de Iberdrola. 5.4.4 Requisitos plano gestión que deben cumplir los operadores referidos a las alarmas A continuación se enumeran cada uno de los requisitos relacionados con el envío y gestión de alarmas dentro del plano de gestión. Son requisitos dirigidos a los operadores. Esto es necesario para poder monitorizar mejor los dispositivos y la red móvil. R.G.7 Generación y envío de alarmas por parte de las plataformas M2M Las plataformas M2M, deben generar alarmas del núcleo de red y la red de acceso del operador. Las alarmas deben generarse cuando se produce un evento en la red móvil 41 que pueda afectar a las comunicaciones del dispositivo o cuando se produce un cambio relacionado con las tarjetas SIM M2M. Gracias a este tipo de alarmas se podrá saber en un tiempo pequeño la causa de la alarma, los elementos que han intervenido en el problema y qué elemento es el responsable del problema. Con esto se conseguiría minimizar el tiempo de resolución de incidencias de manera manual o automática. A continuación se describen las alarmas que se deben desarrollar para que las plataformas M2M de cada operador móvil las envíen a un sistema del CGR de Iberdrola: Dispositivos a la red GSM Conexión. Desconexión. Dispositivo a la red GPRS Contexto Apertura. Cierre. Conexión. Desconexión. Alcanzabilidad IP Conexión. Desconexión. Recuperación. Cambio de localización: asociado al evento de tipo informativo de cambio de Nodo B del dispositivo. Otros cambios 42 Fabricante. Modelo. Dispositivo. SIM M2M. R.G.7.1 Campos mínimos que las plataformas M2M deben facilitar en cada alarma Cada Estación Base/Nodo B recoge una cantidad determinada de tarjetas SIM M2M. Las plataformas M2M deben facilitar por tarjeta los siguientes campos como mínimo: Dirección IP del sistema que envía el mensaje. Tarjeta SIM M2M. IMEI. Identificador de la Estación Base/Nodo B. Fecha y hora de inicio de la alarma. Descripción de la alarma. Fecha y hora de la finalización de la alarma. Descripción del servicio afectado. Criticidad de la alarma. 5.4.5 Requisitos plano gestión que debe cumplir el CGR referidos a las alarmas A continuación se enumeran cada uno de los requisitos relacionados con el envío y gestión de alarmas dentro del plano de gestión. Son requisitos dirigidos al CGR. Esto es necesario para poder monitorizar mejor los dispositivos y la red implicados en la Smart Grid. R.G.8 Alarmas del CGR referidas a la conectividad con los dispositivos Es necesario comprobar cada minuto la correcta disponibilidad de los dispositivos. En el caso de no recibir respuesta durante un tiempo a determinar, se generaría una indisponibilidad mediante una alarma referida a que la dirección de loopback fija interna del equipo no es alcanzable. 43 R.G.9 Correlación alarmas de las plataformas M2M y CGR El CGR debe disponer de un sistema para la correlación de alarmas. Este sistema recogerá las alarmas definidas en R.G.7 (generación y envío de alarmas por parte de las plataformas M2M) que se piden a los operadores móviles y las alarmas que se recogen en R.G.8 (alarmas del CGR referidas a la conectividad con los dispositivos). De esta manera, se lleva a cabo la correlación de la información de las distintas alarmas generadas para ofrecer a los supervisores de la red una información agregada y tratada que permita la toma de decisiones. Figura 21: Alarmas plataformas M2M y dispositivos recogidas por el CGR 5.4.6 Otros requisitos plano de gestión que deben cumplir los operadores R.G.10 Solución de incidencias por parte de los operadores Se detallan las distintas incidencias que puede presentar la red de los operadores móviles. Las incidencias técnicas se clasifican de acuerdo a su impacto en el proceso de negocio de Iberdrola: Impacto Crítico. Las siguientes incidencias deben ser solucionadas en el mínimo periodo de tiempo: Caída total de las plataformas M2M sin existir soluciones temporales o procesos manuales para poder reducir el impacto del problema. 44 Caída total de una o varias funcionalidades críticas de las plataformas M2M haciendo el servicio completamente inutilizable. Caída red de acceso de los operadores dentro de una misma región (área geográfica que engloba varias tarjetas) cuando afecta a más del 50%. Indisponibilidad servicio de datos cuando afecta al menos al 80% de las líneas en una región geográfica. Impacto severo. Las siguientes incidencias pueden tener un margen para buscar una solución a las mismas: Limitación de manera considerable una o varias de las funciones críticas de las plataformas M2M sin existir soluciones temporales o procesos manuales para poder reducir el impacto del problema. Caída red de acceso de los operadores dentro de una misma región cuando afecta a menos del 40%. Indisponibilidad servicio de datos cuando afecta entre un 40% y un 10% de las líneas en una región geográfica. Impacto menor. Las siguientes incidencias no son críticas para encontrar una solución: Degradación de alguna funcionalidad de las plataformas M2M que causa una pérdida menor de servicio y no limita sus funciones críticas existiendo una solución temporal o proceso manual. Indisponibilidad servicio de datos cuando afecta a menos del 10% de las líneas en una región geográfica. Sin impacto. Los siguientes servicios no tienen ningún impacto: No hay ninguna limitación en alguna de las funcionalidades de las plataformas M2M. Aplicaciones de gestión de las plataformas M2M: informes, control de consumo, área de clientes, estadísticas. 45 5.5 Requisitos plano control Los objetivos que persiguen los requisitos del plano de control son los siguientes: Mejorar el rendimiento de las redes para las aplicaciones de Misión Crítica introduciendo modificaciones en los elementos de la red móvil o accediendo dinámicamente desde los dispositivos a las capacidades de las redes móviles. Dar cierta inteligencia al dispositivo remoto para que según un algoritmo establecido, decida cuál es el mejor operador al que conectarse. Iberdrola lo conoce como algoritmo de cambio de operador. A continuación se establecen los requisitos para mejorar las comunicaciones móviles en aplicaciones de Misión Crítica dentro del plano de control. 5.5.1 Requisitos plano control de los dispositivos R.C.1 Procesos cambio operador por parte de los dispositivos Cuando el equipo arranca la tarjeta SIM M2M se conecta a la red del operador configurado como preferente. A continuación se explica los procesos que pueden provocar un cambio de operador. R.C.1.1 Primer arranque/reseteo en los dispositivos Después del arranque o reseteo de la tarjeta SIM M2M, hay que tener en cuenta las siguientes situaciones: Si el equipo no consigue registrarse en la red del operador principal durante un tiempo fijado por Iberdrola entonces se intentará conectar con el operador secundario. Si el equipo no consigue conectarse a la red del operador secundario durante un tiempo fijado por Iberdrola entonces se intentará conectar con el operador primario. 46 R.C.1.2 Política de cambio de operador en los dispositivos Se debe realizar un estudio con la tecnología 3G, mediante unas pruebas con la ayuda de los operadores móviles y los fabricantes de routers, para establecer los umbrales que garanticen la comunicación de los dispositivos. Se debe a explicar lo que se debe tener en cuenta en el cambio de operador y las condiciones que hacen pasar al otro operador. R.C.2 Priorización por parte de los dispositivos Los dispositivos deben saber priorizar un tráfico respecto a otro mediante la posibilidad de asignar diferente Calidad de Servicio dentro del tráfico que cursa una tarjeta SIM M2M. Se debe hacer una clasificación DSCP, priorización o etiquetado de diferentes flujos de tráfico M2M transmitidos a través del túnel VPN, permitiendo entregar los servicios más críticos en situaciones de congestión de la red. Se debe priorizar las aplicaciones de Misión Crítica respecto a otras aplicaciones establecidas en tiempo real. Por otro lado, al realizar el transporte de varios servicios con diferentes prioridades, se debe garantizar que en ningún caso las aplicaciones de Misión Crítica puedan verse afectado por otro de telegestión u otros futuros que Iberdrola pueda implementar o por los tráficos adicionales que el dispositivo maneje. La red de telecomunicaciones de Iberdrola está diseñada para ello. Por ello, se requiere la posibilidad de utilizar políticas de Calidad de Servicio que sean tenidos en cuenta marcándolo en los dispositivos. 5.5.2 Requisitos plano control de los operadores R.C.3 Optimización de la red móvil para aplicaciones de Misión Crítica Los operadores deben tener en cuenta las siguientes consideraciones que afectan a las aplicaciones de Misión Crítica a la hora de optimizar el uso del recurso radio: 47 Frecuencia. Las aplicaciones de Misión Crítica demandan una prioridad muy alta y debido a esto se debe conectar la tarjeta SIM M2M en la frecuencia que tenga mejor cobertura. Es preferible tener una frecuencia de 900MHz debido a que se tiene mejor nivel de penetración que las frecuencias de 1.800MHz o 2.100MHz que representa mayor atenuación. Este fenómeno se conoce como distorsión de atenuación. Si la instalación se encuentra a una distancia entre la frecuencia de 2.100MHz y la frecuencia de 900MHz, el operador debe saber que las aplicaciones de Misión Crítica demandan una prioridad muy alta y debido a esto debe dejar la tarjeta SIM M2M en la frecuencia que tenga mejor cobertura, en este caso la frecuencia de 900MHz. Tecnología. Es importante conocer la tecnología con la que se está trabajando en todo momento (HSPA, UMTS, GPRS o GSM) para poder determinar si es lo suficientemente buena para las aplicaciones de Misión Crítica o es más favorable cambiar. Estados. El estado en el que se encuentra la tarjeta SIM M2M del dispositivo dentro de la red del operador afecta al rendimiento de las aplicaciones de Misión Crítica. Los distintos estados que tienen los operadores móviles en la red 3G son: Figura 22: Estados redes móviles 3G 48 Se lleva a cabo una explicación de cada uno de los estados que las redes móviles facilitan (figura 22): 3G canal dedicado: en este estado se asignan recursos radio dedicados. 3G canal común: en este estado se comparten los recursos. Se incorpora el tráfico de las aplicaciones de Misión Crítica con el resto de tráfico de distinta procedencia que compite por el canal. URA: este estado es el perteneciente a la red de acceso. Las tarjetas SIM M2M tienen abierto el contexto pero no pueden enviar tráfico debido a que no tienen ningún canal radio, es decir, no tienen asignadas recursos radio. Teniendo en cuenta que las aplicaciones de Misión Crítica cursan poco tráfico y de manera puntual, lo requerido sería: Los operadores no deben sancionar empeorando la tecnología a las aplicaciones de Misión Crítica por tener poco tráfico. Se quiere establecer que las aplicaciones de Misión Crítica estén siempre con una conexión 3G dedicada. En el momento de establecer la conexión del terminal 3G con el Nodo B, se debe trabajar con el protocolo de mayor capacidad. En el caso de penalizar, es preferible bajar a la tecnología perteneciente al canal común que al estado URA. R.C.4 Priorización por parte de los operadores Se deben priorizar las aplicaciones de Misión Crítica respecto a otras aplicaciones establecidas en tiempo real. Por otro lado, al realizar el transporte de varios servicios dentro de una misma tarjeta SIM M2M con diferentes prioridades, se debe garantizar que en ningún caso las aplicaciones de Misión Crítica puedan verse afectadas por otro de telegestión u otros futuros que Iberdrola pueda implementar o por los tráficos adicionales que el operador curse por su red. Por ello, se requiere la posibilidad de utilizar políticas de Calidad de Servicio que sean tenidas en cuenta en la red del operador, incluso en la solicitud de acceso. 49 R.C.5 Asignación recursos radio por parte de los operadores Los servicios de automatización, telecontrol y supervisión son los que impone mayores requisitos a la red de telecomunicaciones. Aunque su tráfico sea de poco volumen, se debe dar los recursos radio necesario para siempre tener de forma prioritaria un ancho de banda aproximado de 4 kbps en cada instalación. Por este motivo, las redes de telecomunicaciones deben garantizar, al menos, la capacidad necesaria para transportar este servicio cuando sea necesario. 5.6 Tabla resumen requisitos plano gestión, control y usuario Una vez que se han descrito todos los requisitos, se muestra un resumen de ellos en la siguiente tabla: Requisito Nombre Plano Categoría R.U.1 Indicadores productivos Indicadores relacionados con el rendimiento Redundancia Criticidad Grado cobertura UMTS demandada a los operadores y sus planes futuros Redundancia automática Ubicación dispositivos proyecto STAR Doble tarjeta SIM M2M en los dispositivos para el respaldo automático de las comunicaciones Routers con acceso a redes móviles y tratamiento de tráfico Protocolos de redes Nuevas versiones de software Información de los dispositivos al CGR Información de la red móvil y de las tarjetas SIM M2M recogidas por las plataformas M2M Usuario Operador Usuario Operador Usuario Usuario Operador Operador Básico Operador Básico Operador Básico Dispositivo Básico Dispositivo Básico Dispositivo Básico Dispositivo Básico Dispositivo Gestióninformación Dispositivo Gestióninformación Operador R.U.2 R.U.3 R.U.4 R.B.1 R.B.2 R.B.3 R.B.4 R.B.5 R.B.6 R.B.7 R.G.1 R.G.2 Deriva de… 50 R.G.3 Informes R.G.3.1 Formato informes R.G.4 Roadmap plataformas M2M R.G.5 Definición nuevos SLA R.G.6 R.G.7 R.G.7.1 R.G.8 R.G.9 R.G.10 Integración plataformas M2M con el CGR de Iberdrola Generación y envío de alarmas por parte de las plataformas M2M Campos mínimos que las plataformas M2M deben facilitar en cada alarma Alarmas del CGR referidas a la conectividad con los dispositivos Correlación alarmas de las plataformas M2M y CGR Solución de incidencias por parte de los operadores Gestióninformación Gestióninformación Gestióninformación Gestióninformación Operador Operador R.G.3 CGR CGR Gestióninformación CGR Gestiónalarmas Operador Gestiónalarmas Operador Gestiónalarmas CGR Gestiónalarmas CGR Gestión-otros Operador R.G.7 R.C.1 Proceso cambio de operador por parte de los dispositivos Control Dispositivo R.C.1.1 Primer arranque/reseteo en los dispositivos Control Dispositivo R.C.1 R.C.1.2 Política cambio de operador en los dispositivos Control Dispositivo R.C.1 R.C.2 Priorización por parte de los dispositivos Control Dispositivo R.C.3 Optimización de la red móvil para aplicaciones de Misión Crítica Control Operador R.C.4 Priorización por parte de los operadores Control Operador R.C.5 Asignación recursos radio Control por parte de los operadores Tabla 7: Resumen requisitos Operador 51 52 6. DEFINICIÓN DE ADAPTACIONES El objeto de este apartado es la definición y descripción funcional de las adaptaciones con las que se quiere obtener una solución, sobre las redes móviles actuales, que cumpla con los requisitos definidos en el apartado anterior para las aplicaciones de Misión Crítica. Las adaptaciones se dividen en dos planos: gestión y control. Se seguirá la siguiente nomenclatura (A.X.y.z.u) donde: A indica adaptación. X indica el plano: G: gestión. C: control. y indica el número de adaptación dentro de cada plano. z indica la adaptación que depende de y. u indica la adaptación que depende de z. 6.1 Plano de gestión Gestión de la información de la planta instalada Iberdrola quiere recoger la información que se encuentra almacenada en cada dispositivo para su gestión efectiva. Todos estos datos hacen referencia al requisito R.G.1 (información de los dispositivos al CGR). Con esto se pretende poder avanzar a una mejor monitorización de la red de telecomunicaciones de forma inteligente mediante el análisis de toda la información. Además, Iberdrola quiere conocer la información de la red móvil y de las tarjetas SIM M2M. Esta información es facilitada por los operadores móviles mediante las plataformas M2M. Los requisitos que cubren esta adaptación son R.G.2 (información de la red móvil y de las tarjetas SIM M2M recogidas por las plataformas M2M) y R.G.3 (informes). 53 A.G.1.1 Muestreo diario información dispositivos de la planta instalada El sistema GADIP es uno de los sistemas que tiene el CGR de Iberdrola. En este sistema se ha desarrollado el módulo de backup e inventario que se encarga de la recogida de información de cada router. El módulo de backup e inventario se conecta de forma remota, vía Telnet o SSH, a los routers realizando un inventario de sus datos. La ejecución del módulo se realiza una vez al día mediante una tarea programada. A.G.1.2 Muestreo información tarjetas SIM M2M de la planta instalada Las plataformas de supervisión M2M proporcionan un servicio orientado a comunicaciones máquina a máquina que permite a los usuarios de la red móvil, acceder a la información de la red y de las tarjetas SIM M2M. Es una herramienta capaz de monitorizar la continuidad de los servicios de Iberdrola. Esta herramienta aporta vía web, mediante conexión a Internet, información actualizada sobre el estado y localización de los dispositivos remotos conectados a la red móvil. Además, monitoriza dicho estado y otros datos de los dispositivos. El objetivo del sistema es que Iberdrola conozca la situación de sus dispositivos y que pueda actuar en caso de que exista algún problema con ellos. Esta supervisión remota evitaría, entre otras cosas, desplazamientos innecesarios a los CTs. A.G.1.3 Integración información dispositivos y tarjetas SIM M2M de la planta instalada Se ha definido esta adaptación para poder tener un mayor control de los datos que recogen los dispositivos (adaptación A.G.1.1) y las plataformas M2M (adaptación A.G.1.2). Se trata de conseguir mejorar: El inventario de servicios. La facturación. La supervisión. 54 Con esto se pretende enriquecer la información que viene tanto de las plataformas M2M como de los dispositivos además de un control de los servicios, de su calidad y de su facturación. Uno de los objetivos es conseguir consolidar los tráficos reales, los cambios de operador y saber en cada momento con que tarjeta SIM M2M se está trabajando para conocer: El tráfico cursado por cada tarjeta SIM M2M. Si se cumple el porcentaje que Iberdrola acuerda con cada operador (operador principal y secundario), estudiando el porcentaje de tráfico real mensual. Por lo tanto, esta adaptación pretende que con la información recogida por parte de los dispositivos y por parte de las plataformas M2M, se integre la misma para que se muestre al usuario solo la información agregada y libre de errores. De esta manera se facilitaría una gestión extremo a extremo de los servicios de la Smart Grid. Generación alarmas Las alarmas son eventos que se generan en los dispositivos o en la red móvil. Tienen el propósito de facilitar la detección e identificación de eventos relevantes para el usuario. Esta adaptación cubre los requisitos R.G.7 (generación y envío de alarmas por parte de las plataformas M2M), R.G.8 (alarmas del CGR referidas a la conectividad con los dispositivos), R.G.9 (correlación alarmas de las plataformas M2M y CGR) y R.G.5 (Definición nuevos SLA). A.G.2.1 Alarmas de los dispositivos Existen eventos procedentes de los dispositivos que son gestionados por el CGR. Los dos posibles sistemas que pertenecen al CGR con las capacidades de recibir alarmas son: Sistema SNMPc: tiene el objetivo de comprobar que los dispositivos se encuentran operativos cada cierto tiempo. 55 Sistema GADIP: este sistema tiene a su vez un módulo conocido como sondeo de conectividad que tiene el propósito de realizar un chequeo de la conectividad de los dispositivos. A.G.2.2 Alarmas de la red móvil Existen eventos procedentes de la red móvil que afectan a los dispositivos y que son gestionados por el operador móvil mediante la plataforma M2M. De esta manera, los usuarios tienen otro medio para poder detectar alarmas que afectan a los dispositivos. Existen diversas alarmas importantes para Iberdrola que se pueden obtener de diferentes fuentes dentro de la red móvil del operador. A.G.2.3 Correlación alarmas de los dispositivos y la red móvil en el CGR Se integran alarmas de ambos operadores y de los dispositivos en un sistema de información que lleva a cabo la correlación. Las alarmas son las descritas en las adaptaciones A.G.2.1 (alarmas dispositivos) y A.G.2.2 (alarmas red móvil). Se pretende poder integrar la información que recogen los dispositivos y las dos plataformas M2M y poder comparar los datos de manera automática. De esta manera se consigue una gestión de fallos, conocer la ubicación del problema, que elemento lo ha provocado y la toma de decisiones en el menor tiempo posible. El sistema SIAC del CGR es el encargado de llevar a cabo la correlación de alarmas mediante el tratamiento de cada evento recogido de manera lógica. Para mejorar el control de los operadores, se puede establecer nuevos SLA en base a los parámetros que se están cumpliendo. Evolución plataformas M2M En esta adaptación se tiene en cuenta la mejora en las plataformas M2M actuales. Se cubre el requisito R.G.4 (roadmap plataformas M2M). Estas mejoras hacen referencia a las alarmas y la información aumentando las capacidades descritas en 56 A.G.1.2 (muestreo información tarjetas SIM M2M de la planta instalada) y A.G.2.2 (alarmas de la red móvil). Como se ha comentado, la red de telecomunicaciones implementada para la Smart Grid está formada por una parte privada y otra pública que juntas proporcionan una conectividad extremo a extremo. Cada sección se gestiona por diferentes plataformas de gestión. En el caso particular de la red móvil, los operadores móviles la gestionan por el OSS. El OSS es un elemento que está formado por un conjunto de programas de la red móvil. Su objetivo es automatizar la mayoría de los procesos operacionales involucrados en la tarea de aprovisionamiento de los servicios, monitorizar la Calidad de Servicio y medir el rendimiento de la red [OSS01]. Una solución para las mejoras en la gestión de fallos consiste en tener acceso al OSS de los operadores móviles. Proporcionaría nuevas funcionalidades, entre ellas informar de las alarmas de los elementos de la red de acceso radio de los operadores, detectar y llevar a cabo una correlación de la información relacionada con servicios de la red móvil que afectan al negocio de Iberdrola. Para ello se debe integrar el OSS en las plataformas M2M. De esta manera, se pueda controlar y gestionar la red móvil respetando las reglas que impongan los operadores. 6.2 Plano de control En el plano de control se presentan las adaptaciones cuyo objetivo es conseguir el mayor rendimiento y disponibilidad para las aplicaciones de Misión Crítica. A.C.1 Gestión conectividad El objetivo principal de esta adaptación es satisfacer la alta disponibilidad que demandan las aplicaciones de Misión Crítica. Por este motivo Iberdrola ha definido a dos operadores, uno como principal y otro como secundario. 57 A.C.1.1 Análisis de la red móvil por parte del dispositivo Debido a la integración de dos tarjetas SIM M2M en los dispositivos, se debe desarrollar un algoritmo para decidir si el operador con el que está funcionando proporciona un buen canal de comunicación. El desarrollo de estas adaptaciones satisface el requisito R.C.1 (proceso cambio operador por parte de los dispositivos). A.C.1.1.1 Revisión umbrales de conectividad por parte del dispositivo Una de las opciones que se propone para valorar el estado de la red del operador es establecer unos umbrales por debajo de los cuales, se considera que la red del operador no podrá proporcionar servicios de 3G (UMTS) propuestos por 3GPP. El valor de estos umbrales se establecerá teniendo en cuenta el comportamiento de una red móvil real en tiempo real. Se ha demostrado que en UMTS, la cobertura (nivel de señal conocido como RSCP) no es el único parámetro para tomar decisiones sobre la calidad del enlace. Existe otro parámetro que se tiene en cuenta tanto en el Nodo B como en los dispositivos. Este parámetro es el Ec/No. A continuación se detallan los parámetros: RSCP: es un indicador de intensidad de la señal de recepción en 3G. Se debe definir un umbral y el tiempo de incumplimiento del umbral. Este parámetro hace referencia a la recepción por código en 3G a diferencia del parámetro RSSI que funciona en 2G. EcNo: es un indicador de energía por bit sobre densidad espectral de ruido. Se debe definir un umbral y el tiempo de incumplimiento del umbral. Se ha llevado a cabo un análisis de los umbrales para establecer nueva propuesta de umbrales de cara a asegurar el mejor comportamiento posible de los dispositivos. 58 Iberdrola ha estudiado con los operadores y los fabricantes de routers los mejores umbrales de los parámetros RSCP y Ec/No. Estos parámetros se están midiendo constantemente por los dispositivos y solo se tendrán en cuenta si incumplen durante un tiempo establecido los umbrales para tomar la decisión de cambiarse de operador. En adelante, en el documento se utilizará las siguientes variables: : valor de RSCP establecido por Iberdrola. Medido en dBm. tiempo de incumplimiento del umbral . : valor de Ec/No establecido por Iberdrola. Medido en dBm. : tiempo de incumplimiento del umbral . A.C.1.1.2 Tiempo de retorno al operador principal que debe tener en cuenta el dispositivo Se establece un tiempo tras el cual forzosamente se vuelve a conectar al operador principal. Se evalúa previamente en tiempo real si la conexión ha recuperado las prestaciones necesarias para el transporte del servicio. Se desecha la duración de 24 horas, valor que se puso por defecto, porque se ha analizado que pasadas 24 horas habría una probabilidad alta de que ocurra el mismo problema que el día anterior a esa hora. Después de realizar una serie de pruebas, se observó que con la duración de 20 horas se conseguían mejoras de un 10% de permanencia en el operador principal. A.C.1.1.3 Cambio de operador por falta de conectividad de los dispositivos con los equipos troncales Se ha establecido que si el dispositivo, que se encuentra en un CT, pasa un tiempo sin recibir contestación de uno de los equipos troncales, significa una desconexión y por lo tanto se deriva a un cambio de operador. Esta verificación se realiza en tiempo real. El tiempo establecido ha sido de 90 segundos. 59 A.C.1.1.4 Solución propuesta para el dispositivo en caso de mala cobertura en ambos operadores Un punto muy importante es la existencia de dispositivos ubicados en ciertos lugares donde la cobertura de ambos operadores es mala. El dispositivo, que sólo dispone de una radio, alterna su conexión de un operador a otro constantemente lo que genera una alta indisponibilidad por el tiempo requerido para conmutar entre operadores. Antes que conmutar al otro operador, donde se pierden más paquetes además de ser tiempo que no se envían los datos, es mejor permanecer en el operador que mejor cumpla los filtros de Iberdrola. Para ello, se forzará manualmente la radio a permanecer en el operador que mejor tenga la cobertura con el fin de no estar cambiando constantemente de operador y por lo tanto no dejar al dispositivo indisponible. Cuando la operadora de peor cobertura en esa zona consiga mejorarla, lo debe comunicar a Iberdrola para comprobar las mejoras. A.C.1.2 Adaptaciones mecanismos optimización radio para aplicaciones de Misión Crítica El desarrollo de estas adaptaciones satisface los requisitos que derivan de R.C.3 (optimización de la red móvil para aplicaciones de Misión Crítica). Cuando se trabaja con la tecnología UMTS existen varios estados de los cuales no todos cumplen los requerimientos de conectividad necesarios para transportar tráfico generado por las aplicaciones de Misión Crítica. Estos estados los maneja el operador de la red móvil. Los operadores han establecido que la transición entre los estados se define en función del volumen de tráfico de datos y el tiempo transcurrido sin tráfico. Se han llegado a las siguientes conclusiones: Se permanece en el canal dedicado 3G si se cursa suficiente tráfico permanentemente. 60 Cuando el tráfico se envía por canal dedicado, en el momento en que la tarjeta SIM M2M deja de cursar tráfico o si el tráfico es pequeño (ambas cosas ocurren con las aplicaciones de Misión Crítica) entonces se cambia a un estado menor (canal común) donde se encuentra la mayoría de usuarios. Por lo tanto, el terminal 3G pasaría a trabajar con el protocolo de menor capacidad debido a la mayor competitividad por los recursos radio. La penalización por los periodos de no transmisión de datos viene determinada por los temporizadores de inactividad. Estos temporizadores se aplican a todos los usuarios de un servicio para garantizar un uso eficiente de los recursos radio. La duración de los mismos es decisión del operador de red y por lo tanto ni Iberdrola ni ningún usuario tiene capacidad para modificarlos. La penalización relacionada con la velocidad por transmitir con poco volumen de datos de transmisión viene determinada por el tamaño de los buffers que provocan el paso a canal común o a canales de mayores velocidades. Estos buffers son configurables por el operador y por lo tanto ni Iberdrola ni ningún usuario tiene capacidad para modificarlos. El dispositivo no tiene una visibilidad de la red móvil del operador. Por este motivo, se plantea la mejora referida a que el dispositivo tenga en cuenta que la red móvil tiene otros mecanismos para optimizar el uso de recursos radio que pueden afectar a la calidad del canal de comunicación por donde se envían las aplicaciones de Misión Crítica. Sería muy recomendable una cooperación inteligente mediante el intercambio de información del dispositivo y la red móvil sobre acciones que van a llevar a cabo. Para ello, se debe instalar un agente inteligente en los dispositivos que pregunte a la red móvil antes de realizar una acción, por ejemplo, cambiar de operador. A.C.1.2.1 Eliminar estado URA como mecanismo de optimización radio Dentro de los estados de la tecnología UMTS que aparecen en la figura 22, se proporcionaría una mejora referida a tener menos pérdida de paquetes y retardo si las aplicaciones de Misión Crítica no estuvieran nunca en el estado URA. 61 Se ha realizado unas prueba para comprobar la validez de esta adaptación. Para ello se ha desconectado el estado URA y se ha comprobado si los dispositivos pasaban las pruebas de 48 horas. El protocolo a seguir para la prueba de 48 horas de Iberdrola se detalla en el anexo C. Para esta prueba, se ha llevado a cabo el siguiente programa: TAREA 3G DURACIÓN Seleccionar dos equipos 3G aleatorios Deshabilitar estado semidesconectado (URA) por parte de uno de los 48 horas operadores móviles. Validar las pruebas de 48 horas en situación normal deshabilitando el 48 horas estado semidesconectado (URA) Tabla 8: Planificación prueba 48 horas deshabilitando estado URA Esta prueba se realiza de manera paralela con uno de los operadores móviles para comprobar, mediante la correlación de la información, que las mediciones son correctas. Respecto a los equipos, se proponen dos equipos situados en zonas distintas de España. Resultados pruebas 48 horas en la deshabilitación del estado semidesconectado (URA) Los resultados de la validación de dos equipos deshabilitando el estado semidesconectado fueron muy deficiente. En la tabla 9 se muestra, entre otros datos, que el porcentaje de pérdidas en las 48 horas que estaba programado no fue lo esperado, muy por encima del 1%. Sin embargo, se observa en la tabla 10 que los equipos han conseguido mantenerse en el operador sin conmutar al otro operador consiguiendo que el dispositivo no se encuentre indisponible. 62 Equipos ICMP Totales ICMP perdidos Porcentaje de pérdidas Porcentaje ICMP retrasados Retardo medio (ms) 6.08% Nº de ICMP que han tardado más de 30 seg. en responder 3 Equipo 1 34.560 2.101 0.0087% 180 Equipo 2 34.560 3.176 9.19% 7 0.02% 180 Tabla 9: Datos globales obtenidos en la prueba desactivación estado URA Equipos Nº cambios de SIM Porcentaje tiempo operador 1 Porcentaje tiempo operador 2 Equipo 1 0 100% 0% Equipo 2 0 100% 0% Tabla 10: Datos cambio SIM en situación desactivación estado URA A.C.1.2.2 Añadir tráfico adicional diariamente como mecanismo de optimización radio Como el tráfico de las aplicaciones de Misión Crítica es pequeño, se trataría de añadir un tráfico adicional diariamente, mediante el protocolo ICMP, para no perder los recursos de red de la mejor tecnología y así no disminuir la prioridad que demanda este tipo de tráfico. Se han realizado unas pruebas para comprobar la validez de esta adaptación y así asegurar la productividad del servicio. Primero se va a comprobar el funcionamiento en una situación normal y si los dispositivos pasan la prueba de 48 horas. El protocolo a seguir para la prueba de 48 horas de Iberdrola se detalla en el anexo C. Después, se 63 realizarán unas pruebas personalizadas con la herramienta ExPing6 para saber si con el tráfico mínimo propuesto, el operador móvil mantiene el tráfico continuo cursado en el mejor canal de comunicación. Para estas pruebas, se ha llevado a cabo el siguiente programa: TAREA 3G DURACIÓN Seleccionar cuatro equipos 3G aleatorios Validar 48 horas en situación normal semana 1 (12h-12h) 48 horas Validar 48 horas en situación normal semana 2 (00h-00h) 48 horas Validar prueba añadiendo tráfico diariamente semana 1 < 48 horas Validar prueba añadiendo tráfico diariamente semana 2 > 48 horas Tabla 11: Planificación pruebas añadiendo tráfico Estas pruebas se realizan de manera paralela con uno de los operadores móviles para comprobar, mediante la correlación de la información, que las mediciones son correctas. Respecto a los equipos, se proponen cuatro equipos situados en zonas distintas de España. Resultados pruebas 48 horas en situación normal Respecto a las pruebas de la semana 1 (12h-12h), los resultados han sido malos en cuanto al porcentaje de fallos, han superado el 1% de fallos que demanda Iberdrola. Además, se han producido cambios de operadores. 6 Herramienta que permite realizar pings a una dirección IP establecida. Facilita información a través de informes o estadísticas. 64 Equipos ICMP Totales ICMP con fallos Fallos totales Porcentaje ICMP retrasados Retardo medio total (ms) 5,86% Nº de ICMP que han tardado más de 30 seg. en responder 11 Equipo 1 34.560 2.025 0.031% 213 Equipo 2 34.560 1.500 4,34% 4 0.011% 400 Equipo 3 34.560 905 2,62% 0 0% 172 Equipo 4 34.560 1.226 3,55% 1 0.002% 305 Tabla 12: Datos globales obtenidos en la prueba situación normal semana 1 Equipos Nº cambios de SIM 1 Porcentaje tiempo operador 1 98% Porcentaje tiempo operador 2 2% Equipo 2 3 82% 18% Equipo 3 0 100% 0% Equipo 4 1 86% 14% Equipo 1 Tabla 13: Datos cambio SIM en situación normal semana 1 65 Equipos Porcentaje fallos operador 1 Porcentaje fallos operador 2 Retardo medio operador 2 (ms) 5.94% Retardo medio operador 1 (ms) 199 Equipo 1 0,32% 908 Equipo 2 5.16% 184 0,19% 1.340 Equipo 3 2.62% 172 - - Equipo 4 4.10% 194 0,06% 982 Tabla 14: Datos particulares de los operadores referidos al porcentaje de fallos y al retardo en situación normal semana 1 Respecto a las pruebas de la semana 2 (00h-00h), los resultados han vuelto a ser malos en cuanto al porcentaje de fallos, han superado el 1% de fallos que demanda Iberdrola. Además, se han producido cambios de operadores. Equipos ICMP Totales ICMP con fallos Fallos totales Porcentaje ICMP retrasados Retardo medio total (ms) 10,81% Nº de ICMP que han tardado más de 30 seg. en responder 6 Equipo 1 34.560 3.735 0.017% 199 Equipo 2 34.560 1.690 4,89% 5 0.014% 446 Equipo 3 34.560 1.994 5,77% 16 0.046% 183 Equipo 4 34.560 2.747 7,95% 2 0.0057% 178 Tabla 15: Datos globales obtenidos en la prueba situación normal semana 2 66 Equipos Nº cambios de SIM 0 Porcentaje tiempo operador 1 100% Porcentaje tiempo operador 2 0% Equipo 2 1 78% 22% Equipo 3 3 99% 1% Equipo 4 0 100% 0% Equipo 1 Tabla 16: Datos cambio SIM en situación normal semana 2 Equipos Retardo medio operador 1(ms) 199 Porcentaje fallos operador 2 - Retardo medio operador 2 (ms) - Equipo 2 168 0,09% 1.384 Equipo 3 173 4,74% 1.132 Equipo 4 178 - - Equipo 1 Tabla 17: Datos particulares de los operadores referidos al porcentaje de fallos y al retardo en situación normal semana 2 Resultados pruebas añadiendo tráfico diariamente En adelante, en el documento se utilizará las siguientes variables: : tamaño en bytes mínimo de cada paquete para poder mantenerse en un buen canal de comunicación. : tiempo transcurrido entre el envío de cada paquete de tamaño . 67 Se ha añadido tráfico adicional mediante pings (protocolo ICMP) continuos. Se ha propuesto un tráfico adicional de cada . Las pruebas llevadas a cabo han respondido de la siguiente manera de acuerdo a los estados de la figura 22: Al iniciarse, los equipos empiezan en el mejor estado (canal dedicado). De canal común (retardos>400ms) se pasaba al mejor estado (canal dedicado) al enviar un solo paquete de . Del canal dedicado (retardos<250ms) se mantenía en dicho estado cuando se envían paquetes de cada . Estas pruebas no son 100% fiables en todos los CTs. Dependiendo de la ubicación varían un poco. Además hay que tener en cuenta que los suministradores de radio pueden ser diferentes provocando ligeras diferencias de comportamiento. En la tabla 18 se muestra la prueba que lleva una duración aproximada de 35 horas, algunos equipos llevan más tiempo, se observa que no superan el 0.1% de fallos ni los 200 ms de retardo medio, por lo que siguen conectados con canal dedicado. Equipos ICMP Totales Fallos totales Retardo medio(ms) 25.316 ICMP con fallos 27 Equipo 1 0,1% 169 Equipo 2 36.703 7 0% 111 Equipo 3 25.221 7 0% 177 Equipo 4 25.229 16 0,1% 169 Tabla 18: Resultados prueba añadir tráfico duración 35 horas 68 Los equipos respondieron correctamente con el patrón de tráfico establecido ( cada ) en las pruebas para mantenerse en un buen canal de comunicación. En la tabla 19 se muestran los resultados de la prueba que se vuelve a realizar la misma prueba añadiendo tráfico ( cada ) pero en una semana distinta con una duración mayor de 48 horas. Se puede observar que el comportamiento es similar. Equipos ICMP Totales Fallos totales Retardo medio(ms) 100.000 ICMP con fallos 150 Equipo 1 0,2% 77 Equipo 2 100.000 78 0,1% 177 Equipo 3 81.193 52 0,1% 175 Equipo 4 81.274 36 0% 171 Tabla 19:Resultados prueba añadir tráfico duración mayor de 48 horas Se ha comprobado que con la incorporación de tráfico adicional, mediante el protocolo ICMP, se consigue la asignación permanente de recursos radio. De este modo, las aplicaciones de Misión Crítica permanecerán en el estado adecuado. Se consigue que los operadores mantengan al tráfico de Iberdrola en el mejor canal siempre que se aumente un total de al mes el tráfico. Por lo tanto la adaptación de añadir tráfico adicional funciona facilitando a las aplicaciones de Misión Crítica sus requisitos demandados. Sin embargo, este tráfico adicional se debe estudiar con el operador móvil para ver si entra dentro de un contexto comercial. Puede llegar a ser un riesgo potencial en la factura debido al tráfico adicional. 69 A.C.1.3 Control de la congestión en tiempo real La congestión se produce cuando una red tiene más tráfico del que puede cursar. Esto lleva al deterioro de la red. Las peticiones de datos de un terminal que no son satisfechas puede ser el resultado de la congestión. Ejemplos de cuando ocurre congestión en una red móvil son en manifestaciones, partidos de futbol, etc., es decir, en todos los sitios donde permanecen un grupo grande de terminales usando la red móvil del operador. Aunque se tengan optimizados los recursos, si la red presenta congestión es muy difícil que las aplicaciones de Misión Crítica puedan funcionar. El operador es el que decide qué hacer en caso de congestión. Los operadores no facilitan información acerca sus redes. Por este motivo, se llevará a cabo el estudio de diversas maneras de poder saber la congestión y así poder aplicar medidas alternativas o poder anticipar movimientos. De esta manera, se pretende conseguir un menor impacto negativo sobre las aplicaciones de Misión Crítica. A.C.1.3.1 Detección congestión mediante el protocolo ICMP por parte de los dispositivos Se aprovecha que el protocolo ICMP recoge parámetros como latencia, pérdida de paquetes y jitter. Con estos parámetros se puede determinar si hay problemas de congestión en la red de comunicaciones sobre la que se implementa (privada y pública). La parte débil de la red de comunicaciones es la de acceso debido a que el resto de partes se pueden sobredimensionar. Existe un protocolo que está basado en ICMP dirigido al estudio de la congestión entre dos máquinas: protocolo IP SLA. IP SLA es un protocolo perteneciente a Cisco [CISCO01] que se basa en que el equipo troncal del CGR, que tiene configurado IP SLA, ejecuta una prueba hacia un equipo, que tiene configurado IP SLA, en algún punto remoto de la red móvil (CT) reuniendo información en tiempo real acerca del estado del camino, extremo a extremo, por el que pasan los paquetes. Es muy recomendable su uso en grandes redes como las 70 móviles. El protocolo debe estar siempre activo y tiene la ventaja de que consume pocos recursos. A.C.1.3.2 Detección de la congestión mediante la implantación de un módulo en las plataformas M2M La red de acceso en UMTS, conocida como UTRAN (UMTS Terrestrial RAN = UTRAN), consta de uno o más subsistemas RNS. Cada RNS cubre un conjunto de celdas UMTS, siendo este el responsable de la gestión de los recursos asociados a ellas. Un RNS está formado por un controlador RNC y un conjunto de estaciones base conocidos en UMTS como Nodos B (figura 23). Figura 23: Arquitectura de la Red UTRAN [COMU12] El controlador de la red de radio (RNC) se encarga de gestionar y optimizar los recursos radio, establecer y liberar las conexiones, realizar el traspaso, el control de potencia y controlar la movilidad de los terminales. En el RNC se encuentra el administrador de recursos de radio y el control UTRAN. [COMU12] Por otro lado, los KPIs son los indicadores de rendimiento de la red, como por ejemplo el tráfico y la congestión. Se obtienen de sistemas medidores de rendimiento 71 como PMS (Performance Measurement System) que se encuentran en el RNC. El análisis de estos resultados ayuda a detectar errores. Por lo tanto, para detectar la congestión, una posible solución sería incluir en las plataformas M2M una API que captara información de PMS de la RNC, con KPIs de servicio básicos. De esta manera, se podrían detectar situaciones de congestión mediante las plataformas M2M. A.C.1.3.3 Solución propuesta en caso de congestión en la red Se propone dos soluciones en el momento en que se detecte que se ha llegado al nivel de congestión que no se desea. Como ya se ha comentado, existen dos operadores: principal y secundario. Se tiene un compromiso en permanecer la mayoría de tiempo en el operador principal siempre que las condiciones sean favorables. Por este motivo, cuando se detectase que se ha llegado al nivel de congestión que no se desea, se puede analizar lo siguiente: Cambio de tecnología: las redes móviles ofrecen la flexibilidad de que los terminales móviles puedan utilizar en cada momento, las diferentes portadoras GSM, GPRS y UMTS que estén disponibles a nivel de red de acceso. Por este motivo, se propone la utilización de la tecnología de datos GPRS como backup de los accesos UMTS. En todos los casos se requiere que el terminal disponga de la inteligencia operativa necesaria para detectar los problemas en la red de acceso y conmutar a la tecnología de acceso de backup disponible. Para ello, la radio debe desconectarse de 3G y conectarse a 2G. Se establece que vuelva a conectarse a 3G después de pasadas 20 horas del cambio. Si esta primera opción no resultase factible por presentar problemas similares que con la tecnología 3G o que no se cumpliesen las condiciones que demandan las aplicaciones de Misión Crítica, entonces se pasaría a la segunda solución: Cambiar de operador: se conmuta al otro operador. Sin embargo, se puede presentar el inconveniente de que el otro operador tenga también congestión en 72 ese momento. En el caso de pasar al operador secundario, pasadas 20 horas se debe volver al operador principal. Otra opción planteada consiste en escalar la red de acceso por parte del operador móvil en los puntos donde la probabilidad de congestión sea mayor. De esta manera, se sobredimensionaría su red en ciertos puntos. Esta solución no es 100% factible debido a que siempre se pueden llegar a sobrepasar los umbrales de congestión afectando a las aplicaciones de Misión Crítica cuando quieran acceder al medio. Por lo tanto, se comprueba que no es factible las distintas priorizaciones en la parte de acceso radio de la red. A.C.2 Prioridad en la asignación de recursos radio La automatización, el telecontrol y la supervisión son los servicios que mayores requisitos imponen a la red de telecomunicaciones. Debido a sus características de criticidad y de tiempo real, las redes de telecomunicaciones deben garantizar, al menos, la capacidad necesaria para transportar esos servicios. Se debe garantizar que en ningún caso las aplicaciones de Misión Crítica puedan verse afectadas por un servicio de gestión de CGR, por otros servicios futuros que Iberdrola pueda implementar o por los tráficos adicionales que el operador curse por su red. Las redes móviles deben saber que se trata de aplicaciones de Misión Crítica, es decir, que deben tener prioridad independientemente de la cantidad de tráfico que se cursa por la red. Con esta priorización se pretende conseguir diferenciar el tráfico y por lo tanto dar más calidad. En el siguiente apartado se pretende solucionar los requisitos R.C.4 (priorización por parte de los operadores) y R.C.5 (asignación recursos radio por parte de los operadores) para las redes de los operadores móviles. También se cubre el requisito R.C.2 (priorización por parte de los dispositivos). 73 A.C.2.1 Asignación distintas calidades de servicio por parte de los operadores Debido a la criticidad que demanda las aplicaciones de Misión Crítica, es importante poder priorizar su tráfico en la interfaz radio al ser este un medio compartido y actualmente el cuello de botella en las comunicaciones móviles. Se pretende así que en caso de saturación se pueda seguir enviando el tráfico de más prioridad (aplicaciones de Misión Crítica) frente a otro. Para ello el operador móvil debe modificar el perfil de Calidad de Servicio de Iberdrola para activar los mecanismos de priorización de tráfico en la red radio. Según el estándar de 3GPP [3GPP03], en la tecnología UMTS se han definido cuatro clases de tráfico: Conversacional: servicio en tiempo real. Las características esenciales son poco retardo de transmisión y poca variación de retardo. Streaming: transferencia continúa. Se aplica en aplicaciones de audio en tiempo real y video. Se trata de un transporte unidireccional. Interactivo: se trata de una configuración de petición-respuesta, que convierte el retardo de ida y vuelta en una característica importante. Además, la transferencia de datos tiene una frecuencia de errores baja. Background: se usa para el tráfico “Best Effort”. Los requisitos de retardo en la transmisión son menos rígidos. Se ha comprobado que los operadores móviles transportan todo el tráfico de datos, incluido el de las aplicaciones de Misión Crítica, con calidad “Best Effort”, es decir, en la clase Background. Además, al tratarse de datos (conmutación de paquetes) nunca conseguirá estar en una calidad mejor que la voz (conmutación de circuitos) debido al estándar. Lo único que se puede hacer es que el tráfico tenga más prioridad frente a otros datos. Sin embargo, en datos, los operadores no dan calidad de servicio. 74 A.C.2.2 Asignación recursos en la red de acceso del operador móvil Esta adaptación trata de analizar si es posible la asignación de recursos radio en la red de acceso. El Nodo B debería proporcionar a las aplicaciones de Misión Crítica los recursos radio cuando los solicite. Se define la QoS en UMTS como la calidad del servicio tal y como la percibe el usuario, y por lo tanto, es siempre de extremo a extremo. A continuación se explican algunas carencias de QoS en la red de acceso 3G: En el acceso, todas las conexiones tienen la misma prioridad. Por tanto, incluso con QoS activado, no se garantiza el acceso de una conexión de paquetes en situación de congestión. No se permite que una conexión de paquetes interrumpa otra conexión de paquetes existente. Sin embargo, en casos puntuales, una conexión de paquetes más prioritaria puede bajar la velocidad de otra conexión de paquetes menos prioritaria para asegurar el acceso. Las conexiones de voz siempre son más prioritarias. De este modo, tienen prioridad sobre las de conexiones de paquetes, independientemente de su perfil de prioridad, es decir, no garantizan nada de datos. También, es necesario destacar que la capacidad de 4kbps en el acceso al medio para conexiones de datos no se puede asegurar de acuerdo a los estándares de la tecnología 3G. Según el estándar 3GPP (especificación 25.304 [3GPP04] y 25.301 [3GPP05]), las decisiones de establecimiento las tomas la red (RNC). Esto significa que el terminal solicita acceso en la celda que considera más adecuada, y la red autoriza o no ese acceso en función de la carga de la misma. También, autoriza los movimientos de una celda a otra en base a medidas del móvil y los umbrales a aplicar en la selección de la celda. En el caso de desbordamiento en una celda, la red manda la orden de hacer blind HO7. Por lo tanto, el estándar presenta una limitación por no permitir a las aplicaciones de datos transmitir con una mínima garantía de capacidad. Esto afecta a las 7 Traspasar a una celda o a distinta tecnología directamente sin tener en cuenta ningún valor. 75 aplicaciones de Misión Crítica que presentan poco tráfico esporádico y uno de sus requisitos es poder disponer de una garantía de 4kbps. A.C.2.3 Marcado de QoS en los dispositivos Existen CTs que llevan los siguientes servicios: Telegestión. Telegestión, automatización, telecontrol y supervisión. En el segundo caso, los fabricantes de dispositivos deben dar la opción de priorizar las aplicaciones de Misión Crítica (automatización, telecontrol y supervisión) respecto a la telegestión. Para ello, el dispositivo debe marcar el tráfico de las aplicaciones de Misión Crítica para asegurar que se envía primero y por lo tanto se da la prioridad que demanda. El router usa IPSec para encriptar el paquete que se transmite por el túnel GRE. El problema es que por los segmentos por los que pasa (red de acceso móvil, núcleo de red móvil y red MPLS8 del operador) no pueden leer el marcado de QoS que se realiza en el router debido a que se encuentra encriptado y solo se desencripta en los routers troncales de Iberdrola. Sin embargo, existe una funcionalidad que se llama qos-pre-classify que permite copiar el marcado de QoS, que se encripta junto con todo el paquete debido a IPSec, a la cabecera que se pone en el túnel y así el operador debería tener en cuenta la QoS que viene establecida. De esta manera, aunque la red de acceso y el núcleo de red no tengan en cuenta la QoS, el segmento de red MPLS del operador sí tiene en cuenta el marcado QoS. 6.3 Tabla resumen adaptaciones plano gestión y control A continuación se lleva a cabo una relación de cada una de las adaptaciones con los ámbitos que se relaciona: 8 Mecanismo de transporte de datos basado en etiquetas. 76 Adaptación A.G.1 A.G.1.1 A.G.1.2 A.G.1.3 A.G.2 A.G.2.1 Nombre Gestión información de la planta de instalación Muestreo diario información dispositivos de la planta instalada Muestreo información tarjetas SIM M2M de la planta instalada Integración información dispositivos y tarjetas SIM M2M de la planta instalada Generación alarmas Alarmas de los dispositivos Plano Deriva de… Gestión Gestión Gestión A.G.1 A.G.1 Gestión Gestión Gestión A.G.2 A.G.2 A.G.2.3 Correlación alarmas de los dispositivos y la red móvil en el CGR Gestión A.G.2 A.G.3 Evolución plataformas M2M A.C.1.1.1 A.C.1.1.2 Alto R.G.1 R.G.2 R.G.3 A.G.1 Gestión A.C.1.1 Alto Alto A.G.2.2 Gestión conectividad Análisis de la red móvil por parte del dispositivo Revisión umbrales de conectividad por parte del dispositivo Tiempo de retorno al operador principal que debe tener en cuenta el dispositivo Requisitos Alto Alarmas de la red móvil A.C. 1 Nivel de implantación alcanzado Alto Alto Medio. Depende de los operadores Medio. Depende de los operadores Alto Gestión Control R.G.5 R.G.7 R.G.4 R.G.5 R.G.7 R.G.8 Alto Alto Control A.C. 1 Control A.C.1. 1 Control A.C.1. 1 Alto R.C.1 R.C.3 Alto 77 A.C.1.1.3 A.C.1.1.4 A.C.1.2 A.C.1.2.1 A.C.1.2.2 A.C.1.3 A.C.1.3.1 A.C.1.3.2 A.C.1.3.3 A.C.2 A.C.2.1 Cambio de operador por falta de conectividad de los dispositivos con los equipos troncales Solución propuesta para el dispositivo en caso de mala cobertura en ambos operadores Adaptaciones mecanismos de optimización radio para aplicaciones de Misión Crítica Eliminar estado URA como mecanismo de optimización radio Añadir tráfico adicional diariamente como mecanismo de optimización radio Control de la congestión en tiempo real Detección congestión mediante el protocolo ICMP por parte de los dispositivos Detección de la congestión mediante la implantación de un módulo en las plataformas M2M Solución propuesta en caso de congestión en la red Prioridad en la asignación de recursos radio Asignación distintas calidades de servicio por parte de los operadores Control A.C.1. 1 Alto Alto Control A.C.1. 1 Control A.C. 1 Control A.C.1. 2 Control A.C.1. 2 Control A.C. 1 Control A.C.1. 3 Alto Alto. Sin embargo, resultados desfavorables Alto Medio Control A.C.1. 3 Control A.C.1. 3 Alto Medio. Depende de los operadores Alto Medio Control Control A.C.2 Bajo R.C.2 R.C.4 R.C.5 78 A.C.2.2 A.C.2.3 Asignación recursos en la red de acceso del operador móvil Control A.C.2 Marcado de QoS en Control A.C.2 los dispositivos Tabla 20: Resumen adaptaciones Bajo Alto 79 80 7. ARQUITECTURA El principal objetivo de este apartado es diseñar una arquitectura de acuerdo a las adaptaciones definidas para el soporte eficiente de las aplicaciones de Misión Crítica de la Smart Grid. Se presenta una solución mejorada prestando especial atención en los nuevos elementos TIC que han de incluirse en el CGR de Iberdrola, las redes de los operadores y los CTs. Se presenta la arquitectura siguiendo los siguientes planos de telecomunicaciones de las redes móviles: usuario, gestión y control. 7.1 Plano de usuario El plano de usuario describe de qué forma se conectan las aplicaciones de la Smart Grid a las redes móviles. Se divide en dos apartados: el diseño de la red general y el diseño dentro de un CT. 7.1.1 Red general del plano de usuario Iberdrola define más de una red privada virtual (VPN) de forma que se garantice la no visibilidad entre las diferentes redes. El operador dará visibilidad desde cada una de estas redes virtuales a un APN, en donde se encuentran configuradas las tarjetas SIM M2M. Los operadores móviles realizan la configuración del APN en uno de sus GGSNs situados en el núcleo de red. Los routers 3G se sitúan en una de las instalaciones remotas (CTs) y acceden a los servicios privados de Iberdrola a través de las redes de un operador móvil. Para ello, se establecen túneles GRE con los routers troncales ubicados en dos sedes de Iberdrola. Los túneles tienen la funcionalidad de encriptación por IPSEC en modo transporte de cara a garantizar integridad, confidencialidad, autentificación y disponibilidad de la información que progresa por la red móvil del operador. De esta manera, se mantiene un esquema de direccionamiento privado definido por Iberdrola. Se usa el protocolo DMVPN [CISCO02] entre los routers 3G ubicados en los CTs y los servidores de túneles centrales. Este protocolo presenta las siguientes características: 81 En cada contexto que establezca cada dispositivo móvil se le asignará una dirección IP diferente del rango de direccionamiento predefinido y propiedad de Iberdrola. Esto implica que el router ubicado en un CT conozca la IP de los routers troncales, pero no es necesario que los routers troncales conozcan a priori la IP de los routers ubicados en CTs. Se usa el protocolo NHRP [RFC01]. Se permite el establecimiento dinámico de conexiones GRE e IPSec entre las sedes sin necesidad de reconfiguración de los equipos de red. Figura 24: Esquema descriptivo de la solución de redes de datos móviles de los operadores 7.1.2 Centro de transformación del plano de usuario La arquitectura implementada en los CT tiene el objetivo de aumentar la eficiencia en las comunicaciones de las aplicaciones de Misión Crítica. 82 Los routers de los CTs se encuentran conectados a dos redes: una pública (red móvil operador) y una privada (red troncal de Iberdrola y dispositivos terminales). La red privada de Iberdrola conecta los routers 3G ubicados en los CTs mediante una red LAN hasta los routers troncales los cuales diferencian los servicios de Iberdrola (automatización, telecontrol, supervisión y telegestión). Se asigna una dirección IP estática privada de Iberdrola que se usa para establecer el túnel GRE y para la gestión del dispositivo terminal. La red pública se conecta a los routers 3G ubicados en los CTs mediante una red WAN. Existen dos operadores móviles: operador principal y operador secundario. Debido a que el router solo posee un módulo radio, por el ahorro que supone, solo estará conectado a uno de los operadores móviles. Cada operador móvil asigna una dirección IP dinámica pública. Figura 25: Distinción red LAN (red privada) y Red WAN (red pública) El protocolo utilizado por Iberdrola referido al telecontrol, supervisión y automatización es el IEC 60870-5-101/103/104 [IEC01] que trabaja sobre TCP/IP. A continuación se describen los distintos elementos de TIC que se instalan en el CT. 83 Figura 26: Elementos de un CT para las aplicaciones de Misión Crítica Antena: antes de instalar el router 3G, se mide el nivel de cobertura en el CT con la puerta cerrada. En caso de que la cobertura esté por encima de los niveles establecidos por Iberdrola, no se instalaría antena. Sin embargo, si los niveles no son los apropiados se llevaría a cabo la instalación de una antena omnidireccional9 de 2dBi interior (figura 27) o exterior (figura 28). En caso de seguir teniendo niveles malos de cobertura, se ampliaría la ganancia de la antena o se instalaría una antena direccional10 (figura 29). Figura 27: Antena omnidireccional interna 9 Figura 28: Antena omnidireccional exterior Antena cuya emisión de potencia es en todas las direcciones. Antena que radia la energía de manera localizada para aumentar la potencia. 10 84 Figura 29: Antena direccional Unidad de Transmisión Remota (RTU): dispositivo electrónico que controla las entradas de los sensores y las salidas de los actuadores. La RTU se conecta por cable Ethernet al router 3G encargado de recibir y enviar las señales a través de la red móvil del operador. Soporta el protocolo estándar con el que trabaja Iberdrola: IEC 60870-5-101/103/104. Sensor: dispositivo que permite detectar un estado de la red de media o baja tensión. La información se envía al dispositivo RTU. Actuador: dispositivo que ejecuta la orden que viene de la RTU. Router 3G: se desarrolla en base a los requisitos de Iberdrola. Cada router 3G tiene las siguientes características: Se trabaja con dos tarjetas SIM M2M para poder tener conexión a través de dos operadores (operador principal y operador secundario). Este diseño aumenta la redundancia y consigue una mayor disponibilidad del router ante un fallo en una de las redes móviles. 85 Figura 30: Doble tarjeta SIM M2M en los routers 3G Solo se ha instalado un módulo radio en el router por motivos económicos. Se instala un firmware que implementa mecanismos de decisión cuando se produce el empeoramiento de la calidad de las comunicaciones. Viene determinado por la adaptación A.C.1 (gestión conectividad). Se configura una IP de loopback fija interna en el router 3G. De este modo se consigue poder gestionar los equipos desde los sistemas de gestión de Iberdrola. Se usa el protocolo de routing dinámico RIPv2. [IETF01] Se usa el protocolo SNMPv3. [IETF02] 7.2 Plano de gestión Se plantea la arquitectura general de gestión (figura 31) más óptima para Iberdrola en base a las adaptaciones definidas. 86 Figura 31: Arquitectura general plano de gestión Las tres partes que intervienen en la arquitectura del plano de gestión son: el router 3G que se encuentra en el CT, la red móvil del operador y el CGR de Iberdrola. Se debe tener en cuenta que una de las tarjetas SIM M2M perteneciente a un operador móvil funciona mientras que la otra tarjeta SIM M2M se encuentra provisionada en la red del operador aunque el router no la use para la comunicación. Esto es debido a que el router solo tiene un módulo radio. Como se ha comentado anteriormente, a nivel de gestión existe una IP dinámica y una IP privada de loopback. A continuación se describe la arquitectura de cada una de las adaptaciones de gestión planteadas anteriormente. 7.2.1 Arquitectura para la gestión de la información de la planta instalada Dentro de la arquitectura general del plano de gestión, se encuentra la arquitectura referida a la adaptación A.G.1 (gestión información de la planta instalada) que tiene el 87 objetivo de obtener la mayor cantidad de información procedente de los dispositivos y de la red móvil del operador. Figura 32:Arquitectura gestión información de la planta instalada A continuación se explica cada una de las partes en las que se divide esta arquitectura: información dispositivos, información tarjetas SIM M2M e integración de las dos fuentes de información (dispositivos y plataformas M2M). 7.2.1.1 Arquitectura para el muestreo diario de la información de los dispositivos de la planta instalada Hace referencia a la adaptación A.G.1.1 (muestreo diario información dispositivos de la planta instalada). Esta adaptación tiene el objetivo de extraer diariamente todo el inventario de los dispositivos. Esta tarea se realiza a través de un sistema interno del CGR conocido como GADIP. 88 Figura 33: Elementos que intervienen en la recopilación de la información El módulo de backup e inventario del sistema GADIP es el encargado de llevar a cabo la tarea de recogida de la información de los dispositivos una vez al día. Trata con dos tipos de conexiones. Primero intentará conectarse vía Telnet a un conjunto de IPs asignadas (IPs loopback). Si fracasa, lo intentará una segunda vez vía SSH. Si fracasa en ambos intentos no se volverá a intentar la conexión con el equipo hasta la siguiente ejecución. Para la captura de datos por parte del módulo, se siguen patrones de envíos de petición y respuesta. Al grabar los datos capturados en la Base de Datos de GADIP, se tendrá en cuenta si han cambiado respecto a la última captura o no. Cada dato grabado en la Base de Datos tiene asociada información de la fecha en la que se capturó. Esta fecha solo se actualiza cuando la captura actual es diferente a la última captura correcta realizada. Se guarda en la tabla INV_EQUIPO la información de inventario recogida por el módulo de backup e inventario. En el Anexo B se describe dicha tabla. Adicionalmente, cada vez que se hace inventario en un equipo, se guarda en la tabla HIST_INV_GPRS los datos relativos a cobertura, celda y consumos del mismo. Se destaca que la información de la red de acceso de los operadores móviles referida a la frecuencia, tecnología y cobertura, es visible en cualquiera de los routers. 89 Esta información se obtiene en los SIBs11 de las celdas 3G. Por lo tanto, todo terminal registrado en la red móvil es capaz de leer esta información y almacenarla para su posterior captura por parte del módulo backup e inventario. Al grabar los datos en la tabla histórico (HIST_INV_GPRS) también se comprobará la FECHA_RESET del equipo. Si coincide con la FECHA_RESET del registro inmediatamente anterior, significa que el equipo durante ese día no se ha reseteado y el cálculo de consumo diarios se realizará restando el consumo de BYTES_TX y BYTES_RX actuales con los obtenidos del registro inmediatamente anterior. Si por el contrario, al grabar los datos en la tabla histórico (HIST_INV_GPRS), la FECHA_RESET del nuevo registro no coincide con la FECHA_RESET del anterior, se supone que el equipo se ha reseteado y sus contadores de consumos se han reiniciado, por lo que como datos de consumo diario se guardaran los valores de BYTES_TX y BYTES_RX directamente. 7.2.1.2 Arquitectura para muestrear la información de las tarjetas SIM M2M por la plataforma M2M de la planta instalada Hace referencia a la adaptación A.G.1.2 (muestreo información tarjetas SIM M2M de la planta instalada). Esta adaptación tiene el objetivo de mantener una gestión de la información de las tarjetas SIM M2M de manera remota mediante las plataformas M2M de los operadores. 11 Sistemas de bloques de información que permiten ayudar a la estación móvil a comunicarse con la red. 90 Figura 34: Elementos que intervienen en las plataformas M2M para recoger información de los dispositivos A continuación se hace una descripción de los elementos de la red móvil del operador que intervienen en la recogida de información para las plataformas M2M: HLR: base de datos central para almacenar información de suscripción de los abonados. Guarda información sobre el perfil de servicio, ubicación y estado de actividad de un abonado. El HLR está conectado a los MSC y VLR que les facilitan información. Se encuentra en el núcleo de red tanto en el dominio de conmutación de circuitos como de paquetes. [COMU12] GGSN: este nodo es el responsable de la interconexión con redes de paquetes externas y redireccionamiento. Proporciona la conexión y el interfuncionamiento con otras redes de datos, administra la movilidad de los usuarios y entrega los paquetes de datos a las estaciones móviles. Se encuentra en el dominio de conmutación de paquetes dentro del núcleo de red. [COMU12] Las plataformas M2M ofrecen una interface GUI para la gestión de tarjetas SIM M2M a través de un acceso seguro SSL12 sobre Internet. Cualquier acción que se muestra en la interfaz GUI de las plataformas M2M tiene su API correspondiente. 12 Secure Socket Layer: protocolo que proporciona cifrado al tráfico que cursa por la comunicación segura establecida. 91 Además, las plataformas M2M deben integrarse con los sistemas de gestión de telecomunicaciones de Iberdrola, en este caso con el sistema GADIP del CGR, a través de una conexión VPN segura, de modo que el envío de información del estado de la red móvil por parte del operador será recibido y procesado correctamente por este sistema. Esta información es proporcionada mediante APIs. Los operadores de red móvil proporcionan un conjunto de APIs orientadas a la mejora en la gestión de la información y el control básico de los servicios de la Smart Grid. En la siguiente figura se incluye la arquitectura de las aplicaciones utilizando estas APIs. Figura 35: Implemtación APIs en las plataformas M2M 92 Con las APIs facilitadas, se puede: Recuperar el inventario de todas las tarjetas SIM M2M. Diagnósticar en tiempo real el estado de vida de las tarjetas SIM M2M. Se debe tener en cuenta que los operadores móviles controlan en tiempo real el consumo de cada tarjeta SIM M2M. Sin embargo, en las plataformas M2M esta información se muestra con un cierto retraso. Para el caso concreto de la información de localización de los router, esta información se obtendría a partir de la celda de telefonía móvil en la que se encuentra enganchado el router. Dado que el tamaño de dichas celdas puede variar, la precisión de la localización no será constante. En la mayoría de los casos, es más precisa la localización en zonas urbanas en lugar de zonas rurales. Esto es debido a que las celdas son más pequeñas en las zonas urbanas. Por lo tanto, el dato de localización siempre será considerado orientativo. 7.2.1.3 Arquitectura para integrar la información de los dispositivos y las tarjetas SIM M2M Hace referencia a la adaptación A.G.1.3 (integración información dispositivos y tarjetas SIM M2M de la planta instalada). Esta adaptación tiene el objetivo de mantener un mayor control de la información mediante su recopilación por dos vías: plataformas M2M y dispositivos. De esta manera se consigue una mejora en la facturación, la supervisión y el inventario de servicios. 93 Figura 36: Integración información paltaformas M2M y GADIP GADIP es el sistema del CGR encargado de integrar la información procedente de las plataformas M2M a través de APIs y la información del módulo de backup e inventario procedente del router 3G vía Telnet. 7.2.2 Arquitectura para la generación de alarmas Dentro de la arquitectura general del plano de gestión, se encuentra la arquitectura referida a la adaptación A.G.2 (generación alarmas) que tiene el objetivo de registrar todos los eventos. 94 Figura 37: Arquitectura generación alarmas A continuación se explica cada una de las partes en las que se divide esta arquitectura: alarmas dispositivos, alarmas red móvil y correlación de las alarmas de los dispositivos y la red móvil en el CGR. 7.2.2.1 Arquitectura para alarmas de los dispositivos Hace referencia a la adaptación A.G.2.1 (alarmas de los dispositivos). Esta adaptación tiene el objetivo capturar los eventos de disponibilidad procedentes de los dispositivos a través de la red LAN de Iberdrola mediante el protocolo ICMP. Figura 38: Sistemas del CGR para comprobar disponibilidad equipos 95 A continuación se explica el funcionamiento de los dos sistemas que están disponibles para la realización de esta funcionalidad: Sistema SNMPc: cada minuto realiza ping (protocolo ICMP) a cada equipo para comprobar su correcta disponibilidad. La interfaz del sistema SNMPc muestra una alarma de color amarillo en el caso de no alcanzar la dirección IP de loopback del router. Cuando el router no responde a los tres ping seguidos, se muestra una alarma roja indicando su indisponibilidad. Sistema GADIP: realiza mediante ping una comprobación de la conectividad IP de las IPs fijas de los routers. La ejecución se lleva a cabo mediante una tarea programada. Pasos que se han establecido: 1. El módulo lee los datos almacenados en las tablas de la Base de Datos, los procesa y almacena la información resultante en la tabla PING_SERVICIO. Se borra antes el contenido anterior de la tabla si lo hubiera. Las cabeceras de los paquetes procedentes de los routers deben indicar que la tecnología en uso es 3G: if (nombre_paquete.contains("3G")) { tecnologia="TERCEROS-3G"; } else { if(tel_Coms is not null and not tel_Coms.contains(“DESCONOCIDA”)) tecnologia = telComs; else tecnologia="DESCONOCIDA"; } 2. El siguiente paso es el uso del protocolo ICMP sobre las IPs almacenadas en PING_SERVICIO y posteriormente registrar el resultado en la misma tabla. 3. Una vez finalizado el sondeo se pasa los resultados a la tabla de históricos HIST_PING_SERVICIO. 96 7.2.2.2 Arquitectura para alarmas de la red móvil Hace referencia a la adaptación A.G.2.2 (alarmas de la red móvil). Esta adaptación tiene el objetivo capturar los eventos (requisito R.G.5: alarmas plataformas M2M) procedentes de la red del operador móvil. Figura 39: Alarmas que recogen plataformas M2M Del conjunto de alarmas que se recogen de los dispositivos por parte de las plataformas M2M, se destaca la alarma de alcanzabilidad IP que se detecta mediante ping (protocolo ICMP) a la IP pública del operador móvil. La alarma de alcanzabilidad IP proporciona información de presencia teniendo en cuenta el estado de los dispositivos de Iberdrola. Si el dispositivo no responde a los dos minutos de enviar el ping, las plataformas M2M avisan de que el dispositivo no se encuentra disponible mediante la generación de una alarma. La alarma no desaparecerá hasta que el usuario no la borre de las plataformas M2M. Las plataformas M2M de los operadores deben enviar alarmas a Iberdrola mediante traps SNMP en tiempo real. Los traps serán enviados de forma automática por el sistema M2M del operador móvil hacia el sistema SIAC perteneciente al CGR en el momento que sean detectados. Se debe definir un endpoint en el sistema M2M para integrar los eventos con el CGR. 97 Por lo tanto para poder enviar los traps, se habilita la conectividad a nivel IP en en todos los elementos que hay entre ambos sistemas (firewalls, routers, etc), al menos en el sentido del sistema M2M hacia SIAC. La conectividad se realiza utilizando la interconexión existente entre la red del operador móvil e Iberdrola que se realiza a través de una VPN específica de supervisión, de modo que Iberdrola transporta por su red los traps hasta el sistema SIAC. Se debe tener en cuenta que el sistema SIAC sólo recibe los traps SNMP y no envía mensajes de confirmación de recepción hacia el sistema M2M. Por este motivo se deben enviar por triplicado cada trap por evento generado o detectado. En el Anexo B se incluye el código MIB para la generación de los traps requeridos. 7.2.2.3 Arquitectura para la correlación de alarmas en el CGR Hace referencia a la adaptación A.G.2.3 (correlación alarmas de los dispositivos y las redes móviles en el CGR). Esta adaptación tiene el objetivo de la correlación, mediante el sistema SIAC del CGR, de alarmas que provienen del sistema SNMPc (adaptación A.G.2.1) y las plataformas M2M (adaptación A.G.2.2). Figura 40: Elementos que intervienen en la integración de alarmas 98 Por un lado, el sistema SIAC tiene una Base de Datos con los servicios demandados por Iberdrola. Por otro lado presenta otra Base de Datos donde se saben los distintos nodos donde se encuentran los dispositivos. Con estos datos y cierta inteligencia que se debe incorporar, se correlan las alarmas de SNMPc y de las plataformas M2M. Un ejemplo de la lógica que lleva a cabo el sistema SIAC es: si el sistema SIAC recibe una alarma del sistema SNMPc entonces el problema puede venir del propio dispositivo ubicado en el CT, de la red móvil del operador o de la red privada de Iberdrola. Se puede acotar más la fuente del problema gracias a la alarma referida a la alcanzabilidad IP que recibe SIAC por parte del operador móvil. 7.2.3 Arquitectura evolución plataformas M2M Hace referencia a la adaptación A.G.3 (evolución plataformas M2M). Esta adaptación tiene el objetivo mejorar las plataformas M2M mediante la obtención de más información y alarmas por otros elementos de la red móvil del operador. Figura 41: Nuevos elementos para las plataformas M2M 99 Se pretende que las plataformas M2M recojan información de la red de acceso y OSS de los operadores móviles. A continuación se hace una descripción de los nuevos elementos que ayudan a recoger información a las plataformas M2M: OSS: se encuentra directamente vinculado a la red de telecomunicaciones de los operadores móviles, tiene el objetivo de automatizar los procesos manuales y hacer de la operación de la red una tarea eficiente y menos vulnerable a los errores. Por ejemplo: procesos de soporte para el mantenimiento del inventario de red, servicios de aprovisionamiento, configuración de los elementos de red y software para la gestión de incidencias. Red de acceso 3G de la red móvil: proporciona la conexión entre los terminales móviles y el núcleo de red. En UMTS recibe el nombre de UTRAN y se compone de una serie de subsistemas de redes radio (RNS) que son el modo de comunicación de la red UMTS. [COMU12] Se deben tener en cuenta estas mejoras para las sucesivas Release13. Además, se deben definir nuevas funciones, es decir, nuevas APIs para conseguir explotarlas y así tener un mayor control de la red. De esta manera, se consigue mejoras respecto a lo que nos ofrecen las actuales plataformas M2M. 7.3 Plano de control Se plantea la arquitectura general de control (figura 42) más óptima para Iberdrola en base a las adaptaciones definidas. 13 Especificaciones técnicas actualizadas que mejoran en este caso las plataformas M2M. 100 Figura 42: Arquitectura global plano de control Las tres partes que intervienen en la arquitectura del plano de control son: el router 3G que se encuentra en el CT, la red móvil del operador y el CGR de Iberdrola. Se debe tener en cuenta que una de las tarjetas SIM M2M perteneciente a un operador móvil funciona mientras que la otra tarjeta SIM M2M se encuentra provisionada en la red del operador aunque el router no la use para la comunicación. Esto es debido a que el router 3G solo tiene un módulo radio. Como se ha comentado anteriormente, a nivel de control existe una IP dinámica y una IP privada de loopback. A continuación se describe la arquitectura de cada una de las adaptaciones de control planteadas anteriormente. 7.3.1 Arquitectura para gestión de la conectividad Dentro de la arquitectura general del plano de control, se encuentra la arquitectura referida a la adaptación A.C.1 (gestión conectividad) que tiene el objetivo de aumentar la disponibilidad del dispositivo. 101 Figura 43: Arquitectura gestión conectividad A continuación se explica cada una de las partes en las que se divide esta arquitectura: análisis de la red móvil por parte del dispositivo, mecanismos de optimización radio para las aplicaciones de Misión Crítica y control de la congestión en tiempo real. 7.3.1.1 Arquitectura para análisis de la red móvil por parte del dispositivo Hace referencia a la adaptación A.C.1.1 (análisis de la red móvil por parte del dispositivo). Esta adaptación tiene el objetivo de analizar la red móvil del operador para saber si proporciona un buen canal de comunicación. 102 Figura 44: Elementos que intervienen en la adaptación A.C.1.1 Como se observa en la figura 44, el módulo radio del router 3G recoge información de los niveles de RSCP y Ec/No del Nodo B según se ha establecido en Iberdrola. Posteriormente, se procesa esta información en el módulo de procesamiento junto con los parámetros que se han configurado en el algoritmo del router 3G. Hay que tener en cuenta que los operadores limitan la información que los dispositivos pueden obtener del Nodo B. Figura 45: Condiciones para el algoritmo de cambio e operador 103 7.3.1.2 Arquitectura para mecanismos de optimización radio para aplicaciones de Misión Crítica Hace referencia a la adaptación A.C.1.2 (adaptaciones mecanismos optimización radio para aplicaciones de Misión Crítica). En base a que los mecanismos de optimización no tienen en cuenta las aplicaciones de Misión Crítica, se han establecido varias adaptaciones: adaptación A.C.1.2.1 (eliminar estado URA) y adaptación A.C.1.2.2 (añadir tráfico adicional diariamente). La arquitectura de este bloque hace referencia al desarrollo software por parte de los fabricantes de dispositivos para poder generar tráfico diariamente mediante el protocolo ICMP. Figura 46: Gestión de acceso al canal Por otro lado, los operadores móviles tienen el algoritmo de packet scheduler para gestionar el acceso al canal de todos los servicios de paquetes (figura 46). Es un algoritmo básico perteneciente a la gestión de recursos radio (RRM) dentro de los sistemas de comunicaciones móviles. Las tareas más importantes del algoritmo de scheduling son: Determinar los recursos disponibles para servicios de paquetes. 104 Repartir los recursos disponibles entre los usuarios activos. Monitorizar la asignación de dichos recursos. Monitorizar la carga del sistema, es decir, la relación entre recursos consumidos y recursos disponibles en la celda. Ejecutar, cuando corresponda, acciones de control de la congestión para los servicios de paquetes. 7.3.1.3 Arquitectura para detectar la congestión mediante protocolo ICMP por parte de los dispositivos Hace referencia a la adaptación A.C.1.3.1 (detección congestión mediante ICMP por parte de los dispositivos). Esta adaptación tiene el objetivo de aprovechar el protocolo ICMP que se lleva a cabo en la adaptación A.G.2.1 (alarmas de los dispositivos) para conseguir recoger parámetros relacionados con la congestión: latencia, pérdida de paquetes y jitter. Figura 47: Elementos que intervienen en la detección de la congestión El protocolo ICMP pasa por la red de Iberdrola y la red pública del operador móvil (figura 47). Esta última red es la que más tiende a presentar congestión debido a sus capacidades limitadas y la dificultad de controlar su uso debido a la gran cantidad de usuarios. 105 7.3.2 Arquitectura para detectar la congestión mediante las plataformas M2M Hace referencia a la adaptación A.C.1.3.2 (módulo plataforma M2M). Esta adaptación tiene el objetivo de implementar en las plataformas M2M una API que permita incluir la información del PMS (Performance Measurement System) de la RNC. Con esto se consigue información del rendimiento de la red. Figura 48: Elementos que intervienen en la implementación información PSM 7.3.3 Arquitectura para prioridad en la asignación de recursos radio Dentro de la arquitectura general del plano de control, se encuentra la arquitectura referida a la adaptación A.C.2 (prioridad en la asignación de recursos radio) que tiene el objetivo de implantar la política de calidad de servicio que demandan las aplicaciones de Misión Crítica. 106 Figura 49: Arquitectura prioridad asignación recursos radio A continuación se explica cada una de las partes en las que se divide esta arquitectura: asignación recursos en la red de acceso del operador móvil y marcado de QoS en los dispositivos. 7.3.3.1 Arquitectura para asignar recursos en la red de acceso del operador móvil Hace referencia a la adaptación A.C.2.2 (asignación recursos en la red de acceso del operador móvil). Esta adaptación tiene el objetivo de analizar la opción de poder asignar recursos radio en la red de acceso de los operadores móviles actuales. 107 Figura 50: Elementos que intervienen en el soporte QoS y la gestión de recursos radio El soporte de QoS en UMTS se basa en una arquitectura jerárquica formada por varios niveles (figura 51). Figura 51: Elementos que intervienen en el soporte QoS Se proporciona la QoS en UTRAN a partir del servicio portador de acceso de radio (RAB). Abarca el trayecto comprendido entre el equipo de usuario (UE) y el nodo de acceso al núcleo de red (Según sea el caso puede ser MSC o SSGN) pasando por la UTRAN (figura 51). La RNC es la encargada de controlar ese servicio en UTRAN. Hay que tener en cuenta que en el momento de acceso solo existe la priorización que el 108 propio operador móvil proporciona al servicio de conexión de paquetes y la velocidad que se otorga a ese acceso inicial. RAB es determinante en la provisión de servicios UMTS con distintos perfiles de Calidad de Servicio en una sesión de datos, puesto que implica la utilización de recursos sobre la interfaz radio y la red de acceso, precisamente donde se presentan las mayores limitaciones de ancho de banda [COMU12]. Tiene la función de evaluar qué clase de tráfico (conversacional, streaming, interactivo o background) se está transmitiendo, la velocidad máxima de transferencia en una transmisión, la velocidad garantizada para dicha transmisión, la taza de error (BER), el retardo, entre otros factores. En cuanto a la gestión de los recursos radio en UTRAN, el encargado es RRM (Radio Resource Management). Como se ha comentado, una de las principales funciones es el Packet scheduling (PS) o scheduler. Packet scheduling (PS) o scheduler se encuentra en la RNC (figura 50) y es el encargado de asignar los recursos dinámicamente a los usuarios dentro de la celda determinando qué usuarios transmiten en cada momento y bajo qué esquemas de modulación y codificación, es decir, sirve para priorizar los paquetes de los distintos flujos que llegan en función de las clases de tráfico. 7.3.3.2 Arquitectura para marcar la QoS en los dispositivos Hace referencia a la adaptación A.C.2.3 (marcado de QoS en los dispositivos). Esta adaptación tiene el objetivo de poder priorizar el tráfico de las aplicaciones de Misión Crítica frente al tráfico de telegestión que presenta una tarjeta SIM M2M. 109 Figura 52: Prioridad en la asignación de recursos radio por parte del dispositivo El router 3G tiene una funcionalidad conocida como qos-pre-classify [CISCO03]. El funcionamiento (figura 53) consiste en crear primeramente un clon del paquete original antes del cifrado del mismo. El encargado de llevar a cabo la encriptación (IPSec) cifra el paquete original y a continuación, el clon se asocia con el paquete recién encriptado y se envía a la interfaz de salida. De esta manera, la clasificación se puede administrar incluso en paquetes cifrados. Figura 53: Funcionamiento comando qos-pre-classify 110 8. ANALISIS DE RESULTADOS Las adaptaciones presentadas son mejoras para cubrir los requisitos de las aplicaciones de Misión Crítica en base a las capacidades que tienen las redes móviles actuales. Se han clasificado en dos planos: gestión y control. De acuerdo a las adaptaciones propuestas a nivel de gestión, las mejoras se han enfocado a tener de la red móvil y de los dispositivos una mayor supervisión y gestión de la información. La gestión de la red de telecomunicaciones formada por una red pública (red móvil del operador) y una red privada (red troncal de Iberdrola y los dispositivos terminales) debe ser extremo a extremo. De esta manera, en caso de fallo, se conseguiría detectar el origen y actuar de forma rápida. El grado de cumplimiento de los requisitos de gestión con las adaptaciones propuestas es alto: Respecto a las adaptaciones referidas a la información, todos los sistemas, tanto de los operadores móviles como de Iberdrola, son capaces de poder recopilar toda la información que se demanda en los requisitos. Sin embargo, las plataformas M2M solo aportan información básica que no resuelve todos los requisitos que tienen las aplicaciones de Misión Crítica. Por este motivo, se ha definido una adaptación para la evolución de estas plataformas M2M. De esta manera, si hubiera una mayor integración del OSS de los operadores móviles a través de las plataformas M2M, se conseguiría enriquecer la información del estado de la red del operador. Respecto a las adaptaciones referidas a la generación de alarmas, tampoco presentan grandes complicaciones. Se destaca que desde el CGR se puede usar uno de los dos sistemas compatibles con las alarmas requeridas: SNMPc y GADIP. Sin embargo, resulta más útil el sistema SNMPc debido a que es el que mejor correla sus alarmas con las alarmas de las plataformas M2M. De esta manera, se consigue establecer nuevos SLA en base a los parámetros que se están cumpliendo. 111 Por lo tanto, la gestión extremo a extremo no presentaría problemas siempre que los operadores móviles pongan a disposición la información de su red. De acuerdo a las adaptaciones propuestas a nivel de control, algunas de ellas han dado resultados viables con las capacidades actuales de las redes móviles mientras que otras han dado resultados no satisfactorios. Las mejoras que se han planteado en el plano de control tenían como objetivo principal aumentar la disponibilidad y el rendimiento de las aplicaciones de Misión Crítica mediante la cooperación de los dispositivos y la red móvil del operador. Se han dividido en dos apartados: Gestión de la conectividad: el objetivo principal es conseguir una alta disponibilidad en el dispositivo. Se han llevado a cabo las siguientes mejoras: Se ha descrito el funcionamiento de un algoritmo ejecutado por el dispositivo, que en base a unos parámetros de la red móvil y a unos parámetros de configuración, selecciona el operador (operador principal o secundario) con el que comunica y si no cumple dichos parámetros conmuta al otro operador. Este algoritmo tiene el fin de garantizar el mejor canal de comunicación. Sin embargo, las redes móviles disponen de unos mecanismos propios de asignación de recursos radio que van orientados a las necesidades de otro tipo de usuarios. Estos mecanismos están basados en distintos estados (figura 22) los cuales, se ha comprobado mediante pruebas que penaliza a las aplicaciones de Misión Crítica por tener tráfico escaso y esporádico. Debido a esto, se ha planteado una adaptación que consiste en facilitar una nueva funcionalidad en el algoritmo del dispositivo para que se tenga en cuenta estos mecanismos de los operadores. Se han definido otras adaptaciones para conseguir que la red móvil asigne recursos radio a las aplicaciones de Misión Crítica. Se han obtenido resultados factibles en la prueba de incluir tráfico adicional diariamente por parte de los dispositivos mediante el protocolo ICMP. De esta manera, las redes móviles siempre tienen en cuenta el tráfico de las aplicaciones de 112 Misión Crítica a la vez que se consigue una pérdida de paquetes y un retardo dentro de los umbrales establecidos en los requisitos. Las adaptaciones planteadas para la detección de la congestión en tiempo real y la actuación en momentos de congestión sí resultan viables. Sin embargo, hay que saber si los operadores dejarán accesible la información que se les pide en las plataformas M2M. Además, la congestión es un problema difícil de evitar por lo que dichas adaptaciones no son 100% viables pero pueden ayudar en algunos momentos. Priorización: el objetivo principal es la priorización de las aplicaciones de Misión Crítica por parte de los operadores móviles y de los dispositivos. Se han planteado las siguientes mejoras: Los operadores móviles deben tener en cuenta en la red radio la prioridad que demanda el tráfico de las aplicaciones de Misión Crítica frente a otro tipo de tráfico. Sin embargo, se ha comprobado que los operadores móviles transportan todo el tráfico de datos, incluido en de las aplicaciones de Misión Crítica, con calidad “Best Effort” que corresponde a la clase Background en la tecnología UMTS. El estándar de 3GPP define que el tráfico de datos (conmutación de paquetes) siempre presenta menos prioridad que el tráfico de voz (conmutación de circuitos). Además, el estándar de 3GPP no permite a las aplicaciones de Misión Crítica transmitir con la mínima garantía de capacidad que se pide (4kbps). Respecto a la priorización por parte de los dispositivos, se ha desarrollado una adaptación para que el dispositivo sí tenga en cuenta la priorización de las aplicaciones de Misión Crítica frente a la telegestión. De esta manera, se marca el tráfico de las aplicaciones de Misión Crítica para que se tenga en cuenta tanto en los dispositivos como en la red MPLS que es el último segmento del operador hasta llegar a la red troncal de Iberdrola. Por lo tanto, los dispositivos en el plano de control si han llevado a cabo mecanismos para conseguir el objetivo principal (mejorar la disponibilidad y el rendimiento de las aplicaciones de Misión Crítica). Sin embargo, las redes móviles no 113 se han ajustado a las necesidades de las aplicaciones de Misión Crítica para garantizar su funcionamiento con garantías en el futuro. 114 9. CONCLUSIONES El despliegue de una Smart Grid requiere dotar de comunicaciones a decenas de miles de centros de transformación y millones de puntos de suministro que se encuentran dispersos geográficamente. Con la cobertura que ofrecen las redes de telefonía móvil en la actualidad, se podría llevar este despliegue en un tiempo y con un coste reducido. Sin embargo, esta red no está preparada para ciertos requerimientos como la alta disponibilidad, la priorización del tráfico y la gestión extremo a extremo que demandan las aplicaciones de Misión Crítica de la Smart Grid: telecontrol, supervisión y automatización. Este proyecto se ha centrado en adaptar las redes móviles actuales a las necesidades de los servicios de la Smart Grid de Iberdrola. Para ello, la cooperación entre los operadores de telecomunicaciones e Iberdrola es imprescindible. Ejecución del proyecto Primero se ha llevado a cabo un análisis de las aplicaciones de Misión Crítica definidas por Iberdrola. A continuación se han propuesto todos los requisitos de las mismas que se deben cumplir en los dispositivos, las redes de los operadores móviles y el sistema de gestión central de telecomunicaciones de Iberdrola tanto a nivel de gestión como de control. Posteriormente, en base al estudio de las capacidades de las redes móviles, se han definido una serie de adaptaciones para mejorar el servicio prestado sobre las redes móviles. Estas adaptaciones pretenden cubrir los requisitos de las aplicaciones de Misión Crítica. Así como algunas adaptaciones han resultado viables y han mejorado el servicio prestado, se han detectado limitaciones para implementar otras adaptaciones. En muchos casos, se han planteado adaptaciones alternativas para cubrir estas restricciones. Por último, se ha diseñado la arquitectura técnica (plano usuario, gestión y control) de los elementos que interviene en la ejecución de cada una de las adaptaciones que han resultado viables y cómo interactúan entre ellas. 115 Resultados obtenidos En el plano de gestión, se han conseguido avances significativos para la gestión extremo a extremo de todos los elementos de la red pública (red móvil del operador) y privada (red troncal de Iberdrola y los dispositivos terminales) que dan servicios de comunicaciones a las aplicaciones de la Smart Grid. Sin embargo, se requeriría una mayor integración con la capa de gestión de la red móvil de los operadores (OSS) para obtener mayor información del estado de su red (red de acceso y núcleo de red) y recibir todas las alarmas que puedan afectar al servicio. En el plano de control, se han definido unos mecanismos para que desde el dispositivo se pueda mejorar la disponibilidad y el rendimiento de las aplicaciones de Misión Crítica (política de cambio de operador, generación de tráfico adicional, etiquetado del tráfico con QoS) sobre la red de telefonía móvil existente. Por el contrario, no se ha conseguido que el operador se adapte a las necesidades de Misión Crítica de la Smart Grid en este plano. La solución óptima para el plano de control hubiera implicado una mayor cooperación entre los dispositivos y las redes de los operadores para conseguir priorizar el tráfico de las aplicaciones de Misión Crítica. Si bien se ha presentado una arquitectura que mejora la prestación de aplicaciones de Misión Crítica sobre redes móviles, no se cubren todos los requisitos para prestar los servicios de Misión Crítica de la Smart Grid sobre las redes de los operadores. En concreto, no se puede garantizar un tráfico mínimo de 4 kbps ni priorizar un servicio con respecto a otro. Para conseguir satisfacer estos requisitos, se hace necesaria una cooperación mayor a todos los niveles (investigación, desarrollo, innovación, provisión operación,…) entre los operadores y los usuarios de este tipo de aplicaciones. Líneas futuras de actuación En un futuro próximo, la red móvil LTE (4G) tendrá cobertura suficiente para cubrir los servicios demandados por las Smart Grid. La red 4G introduce una nueva topología basada en IP para el transporte de voz y datos, que tendrá que resolver cómo se prioriza un tráfico frente a otro en una única red (en las redes 3G, se funciona con redes de conmutación de circuitos para la voz y con redes de conmutación para los 116 datos). Estos mecanismos de priorización podrían utilizarse también, siempre y cuando los operadores lo permitan, para las aplicaciones de Misión Crítica. Según el informe publicado por los analistas de la industria iDate, hacia el año 2020, el tráfico global anual de comunicaciones móviles ascenderá a 127 Exabytes. Debido a esto, las empresas de telecomunicaciones deberán hacer frente a la priorización de datos y el mantenimiento del rendimiento de la red. [ID01]. El proyecto se deja abierto para futuras investigaciones. Como líneas futuras de trabajo se destacan: Estudiar conjuntamente con los operadores la manera de cubrir las adaptaciones que no han sido viables y para las que no se ha encontrado una alternativa que cubra de forma suficiente los requisitos de las aplicaciones de Misión Crítica (priorización en la red móvil y garantía de ancho de banda mínimo). La aplicación de las adaptaciones planteadas en el proyecto para otros sectores que tengan las mismas necesidades: ehealth, seguridad, emergencia, etc. Propuesta de una arquitectura 3GPP Evolved Packet Core (EPC) diseñada para ofrecer conectividad de dispositivos inalámbricos a través de LTE y UMTS. Esta nueva arquitectura deberá permitir un mayor desarrollo en la priorización de la red de acceso y los mecanismos de control básicos entre los dispositivos y las redes. 117 118 10.BIBLIOGRAFIA [IBD01] “Iberdrola”, http://www.iberdrola.es [COIT01] “Las redes propias de Telecomunicaciones en una empresa eléctrica”, 2007 http://www.coit.es/publicaciones/bit/bit165/42-49.pdf [EUR01] ”Política energética europea”, http://europa.eu/legislation_summaries/energy/european_energy_policy/index_es.htm [EUR02] “The 2020 climate and energy package”, 2012. http://ec.europa.eu/clima/policies/package/index_en.htm [BOE01] “Real Decreto 1110/2007”, 2007. https://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2007-16478 [ITU01] ITU-T G.9904, “Narrowband orthogonal frequency division multiplexing power line communication transceivers for PRIME networks”, http://www.itu.int/rec/TREC-G.9904-201210-I/en [3GPP01] “Universal Mobile Telecommunications System”. http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/103-umts [3GPP02] “3GPP”, http://www.3gpp.org/ [OSS01] “Introducción a los sistemas de soporte de operadores (OSS)”, http://scienti.colciencias.gov.co:8084/publindex/docs/articulos/1692-7257/2/57.pdf [CISCO01] “Cisco IOS IP SLA User Guide”, http://www.cisco.com/en/US/technologies/tk648/tk362/tk920/technologies_white_paper 09186a00802d5efe.html [3GPP03] “QoS Concept and Architecture”, Release 11, http://www.3gpp.org/DynaReport/23107.htm [3GPP04] “25.304”, http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/25_series/25.304/ [3GPP05] “25.301”, http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/25_series/25.301/ [CISCO02] “Dynamic Multipoint VPN (DMVPN)”, http://www.cisco.com/cisco/web/support/LA/107/1074/1074085_sec_DMVPN_ps6922 _TSD_Products_Configuration_Guide_Chapter.pdf [RFC01] “Next Hop Resolution Protocol (NHRP)”, http://www.rfceditor.org/rfc/rfc2332.txt 119 [IEC01] “IEC 60870-5-104 ed2.0” http://webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/artnum/036194?opendocument [IETF01] “Protocolo RIPv2”, https://tools.ietf.org/html/rfc1723 [IETF02] “Protocolo SNMPv3”, http://tools.ietf.org/html/rfc3410 [CISCO03] “IPSec VPN QoS Design”, http://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/solutions/Enterprise/WAN_and_MAN/QoS_SRN D/QoS-SRND-Book/IPSecQoS.html [ID01] “Global LTE forecasts”, http://blog.idate.fr/tag/digiworld-institute/ [COMU12] José Manuel Huidobro, Comunicaciones móviles. Sistemas GSM, UMTS y LTE., 2012 [UPM01] Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicaciones (UPM), Conmutación I 1º Parte 0613 120 ANEXOS 121 122 ANEXO A: Campos tabla INV_EQUIPO Los 24 campos pertenecientes a la tabla INV_EQUIPO: FECHA_MOD: Indica la última inventario del equipo. fecha en que se recogieron datos de FECHA001 … FECHA024: Para cada VALUEXXX, indica la fecha del último cambio. Si durante el inventario no se recogió información de un dato concreto por cualquier motivo la FECHAXXX de dicho dato no se actualizará. VALUE001: Cobertura en dBm VALUE002: APN activo VALUE003: Tipo de equipo VALUE004: Modelo VALUE005: Firmware VALUE006: Fabricante VALUE007: Número de serie VALUE008: PIN VALUE009: PUK VALUE010: APN1 VALUE011: IMEI VALUE012: CCID1 VALUE013: APN2 VALUE014: CCID2 VALUE015: APN Primario VALUE016: Celda VALUE017: Lectura de los bytes transmitidos VALUE018: Lectura de los bytes recibidos VALUE019: FECHA_RESET_SIN_FORMATEAR VALUE020: IMSI1 123 VALUE021: IMSI2 VALUE022: FECHA_RESET_CON_FORMATEO VALUE023: FECHA_CAMBIO_APN_SIN_FORMATEAR VALUE024: FECHA_CAMBIO_APN_FORMATEO VALUE025: PIN2 VALUE026: PUK2 VALUE027: DUAL_SIM VALUE028: BYTES_TX2 VALUE029: BYTES_RX2 124 ANEXO B: Código MIB para generar traps PScalarmsId1 DEFINITIONS IMPORTS Amplia Platform Customer ::= BEGIN TRAP-TYPE FROM RFC-1215 OBJECT-TYPE FROM RFC-1212 Enterprises FROM RFC1155-SMI: OBJECT IDENTIFIER OBJECT IDENTIFIER OBJECT IDENTIFIER ::= ::= ::= { { { enterprises 32784 enterprises 32784 enterprises 32784 } } } --variable definitions msisdn OBJECT-TYPE SYNTAX OCTET STRING ACCESS read-only STATUS mandatory DESCRIPTION “International device number” ::= {customer 1} notits OBJECT-TYPE SYNTAX OCTET STRING--format:“dd/mm/aaa hh:mimi:ss TZ” ACCESS read-only STATUS mandatory DESCRIPTION “Alarm notification Timestamp” ::= {customer 2} sever OBJECT-TYPE SYNTAX OCTET STRING ACCESS read-only STATUS mandatory DESCRIPTION “Severity level of alarm notification” ::= {customer 3} apn OBJECT-TYPE SYNTAX OCTET STRING ACCESS read-only STATUS optional DESCRIPTION “Custom APN” ::= {customer 4} dirip OBJECT-TYPE 125 SYNTAX IpAddress ACCESS read-only STATUS optional DESCRIPTION “Device IP address” ::= {customer 5} descri OBJECT-TYPE SYNTAX OCTET STRING ACCESS read-only STATUS mandatory DESCRIPTION “Description of alarm notification” ::= {customer 6} icc OBJECT-TYPE SYNTAX OCTET STRING ACCESS read-only STATUS optional DESCRIPTION “New card identifier” ::= {customer 7} imei OBJECT-TYPE SYNTAX OCTET STRING ACCESS read-only STATUS optional DESCRIPTION “New international mobile equipment identity” ::= {customer 8} model OBJECT-TYPE SYNTAX OCTET STRING ACCESS read-only STATUS optional DESCRIPTION “New model name of mobile equipment” ::= {customer 10} lati OBJECT-TYPE SYNTAX OCTET STRING ACCESS read-only STATUS optional DESCRIPTION “New latitude of device location” ::= {customer 11} long OBJECT-TYPE SYNTAX OCTET STRING ACCESS read-only 126 STATUS optional DESCRIPTION “New longitude of device location” ::= {customer 12} cgi OBJECT-TYPE SYNTAX OCTET STRING ACCESS read-only STATUS optional DESCRIPTION “Cell Global Identity” ::= {customer 13} -trap definitions gsmConn TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, descri, icc, imei, cgi} DESCRIPTION “GSM connection notification” ::= 1 --0x01 gsmDisconn TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, descri, icc, imei, cgi, dirip} DESCRIPTION “GSM disconnection notification” ::= 2 --0x02 gpsrConn TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, apn, descri, icc, imei, cgi} DESCRIPTION “GPRS connection notification” ::= 3 --0x03 gprsDisconn TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, apn, descri, icc, imei, cgi, dirip} DESCRIPTION “GPRS disconnection notification” ::= 4 --0x04 ipUnreachable TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, descri, icc, imei, cgi, dirip} DESCRIPTION “Loss of IP reachability alarm” ::= 5 --0x05 IpReachable TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, descri, icc, imei, cgi, dirip} 127 DESCRIPTION “Loss of IP reachability end” ::= 6 --0x06 ipConn TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, descri, icc, imei, cgi, dirip} DESCRIPTION “IP connection notification” ::= 7 --0x07 ipDisconn TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, descri, icc, imei, cgi, dirip} DESCRIPTION “IP disconnection notification” ::= 8 --0x08 locChange TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, lati, descri, long, icc, imei, cgi} DESCRIPTION “Location change notification” ::= 9 --0x09 iccChange TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, descri, icc, imei, cgi} DESCRIPTION “ICC change notification” ::= 10 --0x0A imeiChange TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, manuf, descri, icc, imei, cgi} DESCRIPTION “IMEI change notification” ::= 11 --0x0B manuChange TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, manuf, descri, icc, imei, cgi} DESCRIPTION “Manufacturer change notification” ::= 12 --0x0C modChange TRAP-TYPE ENTERPRISE customer VARIABLES {msisdn, notits, sever, manuf, descri, icc, imei, cgi} DESCRIPTION “Model change notification” ::= 13 --0x0D 128 ANEXO C: Manual prueba de 48 horas Iberdrola lleva un control de las tarjetas SIM M2M que se instalan en los dispositivos. Una vez instaladas en los CTs lo primero que se tiene en cuenta es el protocolo de aceptación de 48 horas. Esta prueba se realiza en situaciones normales para comprobar que los operadores se adaptan bien a las necesidades de nuestros servicios aunque se pierdan ciertos paquetes en el tráfico que genera Iberdrola. La plataforma sobre la que se lleva a cabo las pruebas es: Herramienta monitorear Zabbix: la red. plataforma En base al de open código source fuente, que permite Iberdrola ha personalizado esta herramienta de acuerdo a unos requisitos pedidos. El objetivo es poder validar que se tiene una alta disponibilidad con bajos retardos y pérdida de paquetes en las aplicaciones de Misión Crítica. También se tiene un indicador adicional con el porcentaje de tiempo que está con el operador principal y el porcentaje de tiempo con el secundario. El protocolo de aceptación de 48 horas consiste en ping cada 5 segundos de 256 bytes de tamaño. Se tiene en cuenta los siguientes puntos: Los keep alive se configuran en el equipo desde que se pone en servicio y se envían tanto en la fase de aceptación de 48 horas como después. Los fallos que se contabilizan en la fase de aceptación de 48 horas son los pings que tardan más de 30 segundos desde que se envían desde el servidor de Zabbix al equipo. En caso de recibir la respuesta del ping pasados los 30 segundos, no se contabilizaría como fallo. Su límite aceptado es de 1% del total (34560 ping) que se le envía en el caso de las aplicaciones de Misión Crítica. 129 Si durante las 48 horas falla los keep alive y por ello el equipo decide conmutar de operador y queda no operativo durante 1 minuto (se ha establecido en la conmutación) se observará fallos en el servidor de Zabbix durante todo ese minuto más los que pudieran haberse producido antes porque la calidad de la comunicación no fuera aceptable. Los keep alive se configuran en cada equipo. Para conmutar de tarjeta SIM M2M se deben dar por caídos los dos túneles GRE; si no estará en el túnel secundario sin conmutar de tarjeta SIM M2M y monitorizando el túnel principal por si se recupera. Para decidir cuándo se cae un túnel GRE, se observan los keep alive: Con el túnel establecido, se envía un keep alive cada 30 segundos para supervisar el túnel. El equipo espera hasta 15 segundos la respuesta del mensaje. Si se supera los 15 segundos, el equipo considera que ha sucedido un fallo de supervisión. Cuando se alcanza 3 fallos de supervisión consecutivos, se considera que el túnel se ha caído. Por lo tanto, según los parámetros establecidos por Iberdrola, se tiraría el túnel a los 90 segundos de la pérdida del primer keep alive. Hay que tener en cuenta que se ha realizado una serie de cambios en los dispositivos (cambios de firmware) para establecer los umbrales mínimos teniendo en cuenta la adaptación A.C.1.1 (análisis de la red móvil por parte de los dispositivos). PARAMETROS VALORES PERIODO DE TIEMPO RSCP dBm minutos dBm minutos Ec/No Cambio operador secundario Cambio operador por falta de 20 horas 90 seg. conectividad con los equipos troncales Tabla 21: Resumen parámetros cambio de operador 130
