NB-IoT est un réseau étendu à faible consommation d’énergie (LPWAN) moderne utilisé par les opérateurs pour prendre en charge les clients d’entreprise.

Certains des plus grands cas d’utilisation de NB-IoT se situent dans le domaine des infrastructures de comptage avancées (AMI), avec des compteurs d’eau intelligents représentant le premier déploiement à grande échelle de NB-IoT.

NB-IoT est maintenant entré dans le courant dominant du comptage intelligent de l’eau et du comptage intelligent du gaz. Pour le comptage électrique intelligent, NB-IoT est également un très bon choix mais est resté à la pointe du compteur électrique AMI jusqu’à présent.

Comparaison des compteurs d’eau et de gaz

Le comptage électrique AMI est beaucoup plus gourmand en bande passante que l’AMI pour les compteurs d’eau ou les compteurs de gaz. Les compteurs d’eau et les compteurs de gaz mesurent généralement uniquement la quantité d’eau / de gaz utilisée, tandis que les compteurs électriques fournissent toute une gamme d’informations détaillées telles que la tension, le courant, la variance d’impédance et la température.

Les compteurs d’eau sont de style mécanique traditionnel (qui sont moins chers, mais ne fournissent que des données de consommation) et ultrasoniques, qui rapportent d’autres éléments de données tels que la température, la pression et la clarté de l’eau. Les compteurs d’eau / gaz montent généralement leurs données toutes les 6 à 24 heures par liaison montante, avec une bande passante totale d’environ 100 octets par mètre et par jour. Il y a généralement très peu d’exigences de liaison descendante pour les compteurs d’eau / gaz.

Certains compteurs d’eau / gaz peuvent avoir une vanne d’arrêt qui peut être contrôlée à distance via la liaison descendante, et les mises à jour du micrologiciel peuvent être diffusées via la liaison descendante. En dehors de cela, il y a très peu de trafic en liaison descendante dans les compteurs d’eau / gaz. En règle générale, les compteurs d’eau utilisent des structures de données définies exclusives pour la liaison montante de leurs informations. Dans certains cas, le protocole standard Modbus simple est utilisé. Les compteurs de gaz sont traditionnellement plus axés sur l’utilisation du protocole Modbus, mais les tendances actuelles s’orientent vers l’utilisation de la spécification DLMS (Distribution Line Message Specification).

Compteur d’eau mécanique NB-IoT
(Source: Sanchuang Wisdom Co.)
Compteur d’eau à ultrasons NB-IoT
(Source: Sanchuang Wisdom Co.)
Compteur de gaz NB-IoT

Types de compteurs électriques

Les compteurs électriques ont des exigences de bande passante beaucoup plus agressives. Les compteurs électriques sont principalement des types de compteurs résidentiels monophasés et de compteurs commerciaux et industriels (C&I) triphasés, et peuvent être différenciés par le facteur de forme. Les compteurs de type CEI sont utilisés dans la plupart du monde, les compteurs de type ANSI sont utilisés en Amérique du Nord et dans certaines parties de LATAM.

Compteur électrique monophasé de type IEC (Source: Tatung Co. ™)
Compteur électrique monophasé de type ANSI
(Source: Tatung Co. ™)
Compteur électrique triphasé de type CEI
(Source: Tatung Co. ™)

Protocole DLMS

Les compteurs électriques à usage utilitaire utilisent généralement le protocole DLMS très «bavard» connu. DLMS a été initialement conçu pour les communications filaires et nécessite une communication «orientée connexion» utilisant la sécurité TLS et il s’exécute sur TCP. Chaque message DLMS est au niveau le plus bas du matériel du compteur, appelé «registre». Ainsi, une instruction de haut niveau telle que «Lire les données d’utilisation du compteur» peut être déconstruite en 10, 20, voire plus, messages DLMS de bas niveau, tels que «lire le registre22, lire le registre 34, lire le registre 27 et ainsi de suite »chacun avec une surcharge de protocole TCP d’envoi / accusé de réception. En raison de ce style de communication bas niveau orienté connexion, DLMS n’est pas adapté à une transmission évolutive sur un réseau NB-IoT (ou tout autre réseau sans fil).

Carte de communication pour compteurs électriques avec module NB-IoT (y compris CPU pour calcul en périphérie)

Réduction de la bande passante et des messages envoyés

La solution à cela consiste à utiliser une forme d’Edge Computing au niveau du module de communication du compteur. Le processeur intégré du module de communication du compteur peut gérer la communication directe des messages DLMS de bas niveau avec le compteur électrique, puis combiner et compresser ces données en messages au format «couche supérieure» pour les transmettre sur le réseau radio NB-IoT.

Cela réduit considérablement la bande passante globale des informations et le nombre de messages envoyés sur le réseau NB-IoT. De plus, les messages de la «couche supérieure» sont envoyés à l’aide de CoApp sur UDP avec le cryptage DTLS + (Huawei Datagram Transport Layer Security). DTLS + est un moyen de réduire le nombre de messages de surcharge dans la configuration de communications sécurisées et constitue une meilleure pratique pour les réseaux NB-IoT (et autres réseaux cellulaires).

Codage des canaux (Reed-Solomon)

Le codage de canal, tel que le codage Reed-Solomon (description détaillée hors du cadre de cet article), peut également être ajouté pour réduire le nombre d’erreurs sur les bits lors de l’envoi des messages de «couche supérieure» sur le réseau radio. Dans les très rares cas où des messages de couche supérieure sont reçus avec des erreurs, une nouvelle tentative peut être émise à partir de la couche d’application de back-office.

Rassembler les éléments — Vue au niveau du système

En suivant cette architecture de messagerie à deux niveaux d’Edge Computing, les besoins en électricité des messages DLMS peuvent être pris en charge, tout en s’adaptant à un format de message plus efficace pour la transmission de la couche supérieure sur l’interface radio NB-IoT. (Cette méthodologie s’applique également à d’autres types de communication RF tels que GPRS, 2G / 3G / 4G, LoRA et RF-Mesh.)

Architecture globale du système

Comme le montre le diagramme ci-dessus, le compteur électrique agit comme un serveur DLMS, fournissant des réponses DLMS au niveau du registre lorsqu’il est interrogé par un client DLMS (la carte de communication du compteur). La carte Meter Communications agit comme un client DLMS et convertit les messages DLMS en message de couche supérieure correctement formulé, puis compresse, chiffre et ajoute le codage de canal (Reed Solomon). Le résultat est un compteur qui peut envoyer efficacement des messages de niveau supérieur sur le réseau LPWA NB-IOT aux systèmes de centre de données de back-office pour traitement.

Présentation des systèmes de back-office

Les systèmes de back-office incluent généralement le système de tête de réseau (HES) (qui agit d’une manière similaire aux plates-formes IoT). HES est capable d’harmoniser les données de différents modèles de compteurs et fournisseurs, et de prendre en charge les communications de couche supérieure vers les compteurs sur différents types de réseaux de communication (par exemple NB-IoT et PLC). Les systèmes de gestion des données de compteur (MDMS) se connectent à la HES et fournissent des interfaces de gestion pour le service informatique OAM, les systèmes de facturation, les systèmes CRM, etc.

Jusqu’à présent, NB-IoT n’a pas pris une position majeure dans le déploiement de l’utilitaire électrique AMI. Dans une large mesure, cela est dû à des malentendus dans certains des problèmes architecturaux clés décrits ci-dessus, en particulier la nécessité pour Edge computing de convertir la messagerie DLMS de couche inférieure en messagerie de couche supérieure et la nécessité d’utiliser plutôt CoAPP / UDP au mieux. que le transport TCP orienté connexion.

L’avenir de NB-IoT dans le service public d’électricité est assez prometteur, car les réseaux 2G et 3G sont progressivement supprimés, et un remplacement sera nécessaire pour la partie IoT cellulaire du réseau électrique public (environ 5% des connexions). À mesure que AMI devient plus omniprésent, l’augmentation de la couverture de 85% -> 90% -> 95% -> 99,9% devient exponentiellement plus difficile avec les réseaux de communication AMI de première génération traditionnels tels que PLC ou RF-Mesh. Les réseaux NB-IoT offrent un moyen économique et efficace de fournir une connectivité de comptage remplissant les lacunes et difficile à atteindre.