ADAPTACIÓN DE LAS REDES MÓVILES M2M PARA APLICACIONES DE MISIÓN CRÍTICA DE REDES ELÉCTRICAS INTELIGENTES

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1 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 telegestión, otros servicios como la automatización, la supervisión y el telecontrol de la

2 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.

3 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). Las redes móviles de los operadores.

4 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: Gestión de la conectividad: se definen unas adaptaciones para aumentar la disponibilidad de los dispositivos.

5 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 tanto, son viables los resultados que se obtienen siempre que el operador móvil facilite la ayuda que se le pide.

6 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, [BOE01] Real Decreto 1110/2007, [ITU01] ITU-T G.9904, Narrowband orthogonal frequency division multiplexing power line communication transceivers for PRIME networks, REC-G I/en

7 [3GPP01] y , [3GPP02] QoS concept and architecture, Release 11,

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9 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, supervision and remote control of the medium and low voltage network can be added.

10 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.

11 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). The mobile network operators.

12 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: Connectivity management: adaptations are defined to increase the availability of the devices.

13 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. 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.

14 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, m [BOE01] Real Decreto 1110/2007, 2007, [ITU01] ITU-T G.9904, Narrowband orthogonal frequency division multiplexing power line communication transceivers for PRIME networks,

15 [3GPP01] y , [3GPP02] QoS Concept and Architecture, Release 11,