SMART GRID - Uniandes

Taller de Comunicaciones SMART GRID

Diseño de una red de infraestructura avanzada de medición (AMI) con tecnología WiFi/ WiMAX en la localidad de Teusaquillo

05 de Diciembre de 2012

Andrés Abusaíd

Silvia Lorena Camacho Jorge Luis Carrión

Diego Andrés Huérfano


Contenido 1. Introducción ........................................................................................................................... 8

2. Respuesta de la Demanda ...................................................................................................... 9

2.1 Real-Time Pricing Program .............................................................................................. 9

2.2 Restricciones y Normatividades. ................................................................................... 11

3. Medidores Inteligentes: ....................................................................................................... 14

3.1 Funcionamiento:........................................................................................................... 15

3.2 Oferta de medidores Inteligentes en el Mercado: ......................................................... 17

3.2.1 Fabricante: General Electric Company. .................................................................. 17

3.2.2 Fabricante: Echelon............................................................................................... 22

3.2.3 Fabricante: Itron. .................................................................................................. 26

3.3 Recepción datos centro de control................................................................................ 27

3.3.1 Power on Precision. .............................................................................................. 27

3.3.2 World Energy ........................................................................................................ 28

4. Descripción caso de estudio ................................................................................................. 29

4.1 Sectorización de Área de Cubrimiento WAN para Red AMI ........................................... 29

4.2 Determinación banda de frecuencia de trabajo............................................................. 31

4.3 Tendido de Celdas Wi-Fi ............................................................................................... 32

4.4 Interferencia de la banda de 5GHz ................................................................................ 33

5. Red de área local IEEE 802.11 WiFi ....................................................................................... 34

5.1 Asignación y Regulación de las bandas de frecuencia WiFi en Colombia ........................ 36

5.2 Modelos de propagación y capacidad Wi-Fi .................................................................. 38

5.2.1 Modelos de Propagación Wi-Fi .............................................................................. 38

5.2.2 Modelos de Capacidad Wi-Fi: ................................................................................ 44

5.3 Protocolo DLMS/COSEM: .............................................................................................. 49

5.3.1 Sistema de Identificación de Objetos..................................................................... 50

5.3.2 DLMS/COSEM Clase Interfaz ................................................................................. 51


5.3.3 DLMS/COSEM Capa de Transporte ........................................................................ 55

5.3.4 DLMS/COSEM Capa de Aplicación ......................................................................... 57

5.4 Cálculo de la tasa de Datos: .......................................................................................... 60

5.5 Oferta de Access Point y Antenas Wi-Fi en el mercado .................................................. 60

5.5.1 Access Point .......................................................................................................... 60

5.5.2 Antenas ................................................................................................................ 66

6. Red de Área amplia IEEE 802.16 (WiMAX) ............................................................................ 69

6.1 WiMAX Fijo ................................................................................................................... 70

6.2 WiMAX Móvil. .............................................................................................................. 70

6.3 Radios WiMAX .............................................................................................................. 71

6.4 Antenas WiMAX ........................................................................................................... 72

6.4.1 Antenas Omnidireccionales ................................................................................... 72

6.4.2 Antenas de Sector ................................................................................................. 72

6.4.3 Antenas tipo Panel ................................................................................................ 72

6.5 Estaciones del Subscriptor ............................................................................................ 73

6.5.1 CPE para exteriores ............................................................................................... 73

6.5.2 CPE para interiores................................................................................................ 73

6.6 Interferencia en WiMAX ............................................................................................... 73

6.7 Tecnologías de Antenas e Interferencia. ....................................................................... 74

6.7.1 AAS (Adaptive Antenna System) ............................................................................ 75

6.8 Selección dinámica de frecuencia, MIMO y radios impuestos por Software................... 75

6.8.1 MIMO (Multiple Input Multiple Output) ................................................................ 75

6.8.2 Radios Impuestos por Software (SDR) ................................................................... 75

6.9 Calidad de Servicio (QoS) .............................................................................................. 75

6.10 Arquitectura WiMAX de QoS......................................................................................... 77

6.11 Reglamentación WiMAX en Colombia ........................................................................... 78

6.12 Definición Modelo De Tráfico y Calidad del Enlace ........................................................ 82

6.13 Desempeño de la Celda ................................................................................................ 84

6.14 Modelos de propagación WiMAX .................................................................................. 84

6.14.1 Modelo de espacio libre FSPL ................................................................................ 84


6.14.2 Okumura- Hata extendido ECC-33 ......................................................................... 85

6.14.3 Stanford University Interim ................................................................................... 85

6.14.4 Cálculo de Cubrimiento de Celda........................................................................... 87

6.15 Capacidad WiMAX ........................................................................................................ 90

7. Comunicación con el centro de control................................................................................. 97

7.1. Red de comunicaciones CODENSA Centro de control ......................................................... 97

7.1.1 Anillo de Fibra óptica ............................................................................................ 99

7.1.2 Sistema de medida concentrada ......................................................................... 100

7.1.3 Pila de Protocolos ............................................................................................... 102

7.2 Configuraciones de Enrutadores ................................................................................. 103

7.2.1 Configuración estática ......................................................................................... 104

7.2.2 Configuración dinámica ....................................................................................... 104

7.2.3 Configuración con sobrecarga ............................................................................. 104

7.3 Red Backhaul Celular .................................................................................................. 104

7.4 Capacidad y Cobertura de Red De Comunicaciones en Bogotá .................................... 107

7.5 Arquitectura IP de la red AMI...................................................................................... 108

8. Trabajo Futuro ................................................................................................................... 110

9. Conclusiones ...................................................................................................................... 111

10. Bibliografía ..................................................................................................................... 113


Lista de Figuras Figura 1. Red AMI. ______________________________________________________________________ 14

Figura 2. Red AMI en sector residencial. _____________________________________________________ 15

Figura 3. Configuración interna medidor inteligente. ___________________________________________ 17

Figura 4. SGM 1100 IEC. _________________________________________________________________ 17

Figura 5. SGM 3000 IEC. _________________________________________________________________ 19

Figura 6. Operación del SGM 3000. _________________________________________________________ 19

Figura 7. I-210 ANSI. ____________________________________________________________________ 21

Figura 8. MTR 3500. ____________________________________________________________________ 22

Figura 9. MTR 3000. ____________________________________________________________________ 23

Figura 10. ANSI 2S METER. _______________________________________________________________ 24

Figura 11. EM 420i. _____________________________________________________________________ 26

Figura 12. Interfaz del software PowerOnPrecision. ____________________________________________ 28

Figura 13. Interfaz del World Energy. _______________________________________________________ 28

Figura 14. Sectorización Área de Cobertura de Red AMI en Bogotá (Localidad: Teusaquillo)_____________ 29

Figura 15. Zona Suburbana 1 y Zona Suburbana 2 _____________________________________________ 30

Figura 16. Zona Urbana 1 y Zona Urbana 3. __________________________________________________ 30

Figura 17. Zona urbana 4 y Zona Suburbana 3. ________________________________________________ 30

Figura 18: Zona Suburbana 3. _____________________________________________________________ 31

Figura 19: Formato de Celdas Base para zonas suburbanas y urbanas _____________________________ 32

Figura 20. Evolución del estándar 802.11.____________________________________________________ 34

Figura 21. Pérdidas de trayectoria modelo de propagación log normal. ____________________________ 40

Figura 22. Pérdidas de trayectoria modelo de propagación indoor-outdoor. _________________________ 41

Figura 23. Cobertura del modelo de propagación log normal para un canal de 20MHz. ________________ 42

Figura 24.Cobertura del modelo de propagación log normal para un canal de 40MHz. ________________ 43

Figura 25. Cobertura del modelo de propagación indoor to outdoor para un canal de 20MHz. __________ 44

Figura 26. Cobertura del modelo de propagación indoor to outdoor para un canal de 40MHz. __________ 44

Figura 27. Esquema de acceso básico._______________________________________________________ 45

Figura 28. Esquema de acceso RTS/CTS. _____________________________________________________ 45

Figura 29. Tasa de transmisión de saturación. ________________________________________________ 47

Figura 30. "Throughput" vs No. usuarios. ____________________________________________________ 48

Figura 31. Modelo de objetos COSEM. ______________________________________________________ 50

Figura 32. Estructura de objetos COSEM. ____________________________________________________ 50

Figura 33. Modelo clase Registro. __________________________________________________________ 52

Figura 34. Atributos y métodos para la clase registro. __________________________________________ 52

Figura 35. Atributos y métodos para la clase registro extendido. __________________________________ 52

Figura 36. Atributos y métodos para la clase registro de demanda. ________________________________ 53

Figura 37. Capas Modelo OSI Protocolo DLMS/COSEM. _________________________________________ 56

Figura 38. Estructura de datos capa transporte. _______________________________________________ 56

Figura 39. Estructura COSEM ASO. _________________________________________________________ 58

Figura 40. Estructura APDU. ______________________________________________________________ 58

Figura 41. Envío de APDU con fragmentación. ________________________________________________ 59

Figura 42. Longitud del paquede según protocolo TCP/IP. _______________________________________ 60

Figura 43. AP541N Access Point ___________________________________________________________ 61


Figura 44. Aironet 3600 Series Access Point __________________________________________________ 62

Figura 45.DWL-6600 ____________________________________________________________________ 63

Figura 46.DAP 3520. ____________________________________________________________________ 64

Figura 47.E-M110. ______________________________________________________________________ 65

Figura 48.E-MSM313. ___________________________________________________________________ 66

Figura 49.Especificaciones técnicas de las antenas de 5.2 GHz. ___________________________________ 67

Figura 50. Especificaciones técnicas de las antenas de 5.4 GHz. ___________________________________ 68

Figura 51. Especificaciones técnicas de las antenas de 5.8 GHz. ___________________________________ 69

Figura 52. Esquema de comunicación inalámbrica WiMAX [7]. ___________________________________ 70

Figura 53. Esquema de radios y antenas WiMAX [8]. ___________________________________________ 71

Figura 54. Radio WiMAX [8]. ______________________________________________________________ 71

Figura 55. Tipos de antena transmisoras WiMAX [8]. ___________________________________________ 72

Figura 56. Ejemplos de CPE disponibles en el mercado [8]. _______________________________________ 73

Figura 57. Interferencia en una señal (ajena al canal) [8]. _______________________________________ 74

Figura 58. Configuración de un sistema AAS [8]. _______________________________________________ 75

Figura 59. Latencia entre diferentes componentes de la red WiMAX [8]. ____________________________ 76

Figura 60. Arquitectura QoS del estándar 802.16 [9]. ___________________________________________ 77

Figura 61. Características adicionales de la división del tráfico en WiMAX __________________________ 78

Figura 62. espectro asignado a empresas de telefonía [11]. ______________________________________ 79

Figura 63. Porcentaje de suscriptores asociados a los tipos de tecnología [11]. _______________________ 80

Figura 64. Atribución de Frecuencias entre 2,5GHz y 2,7GHz [10]. _________________________________ 81

Figura 65. Atribución de frecuencias entre 3,4GHz y 3,7 GHz [10]. _________________________________ 81

Figura 66. Distribución mundial de espectro de frecuencias WiMAX [12]. ___________________________ 82

Figura 67. Modelo Tráfico de Servicios en WiMAX. _____________________________________________ 82

Figura 68. Pérdidas del Trayecto, modelo de propagación SUI. ___________________________________ 87

Figura 69. Antena WiMAX 3,5GHz (Degree sector Antenna). _____________________________________ 88

Figura 70. Cobertura de Celda. ____________________________________________________________ 90

Figura 71. Estructura OFDMA [13]. _________________________________________________________ 91

Figura 72. Símbolos, Tiles, Slots, Cluster en UL y DL PUSC [18]. ___________________________________ 92

Figura 73. Centro de control de CODENSA. ___________________________________________________ 98

Figura 74. Anillo de fibra óptica CODENSA. ___________________________________________________ 99

Figura 75. Esquema del sistema de medida concentrada. ______________________________________ 100

Figura 76. Pila de protocolos TCP/IP. _______________________________________________________ 103

Figura 77. Componentes Red Backhaul Celular. ______________________________________________ 105

Figura 78. Representación Básica Red Backhaul. _____________________________________________ 105

Figura 79. Topología RF Punto a Multipunto en redes Backhaul. _________________________________ 106

Figura 80. Topología RF P2P Configuración Estrella en redes Backhaul. ____________________________ 106

Figura 81. Topología RF P2P Configuración Árbol en redes Backhaul. _____________________________ 106

Figura 82. Topología RF P2P Configuración Anillo en redes Backhaul. _____________________________ 107

Figura 83. Esquema de la arquitectura IP de la red AMI. _______________________________________ 109


Lista de Tablas Tabla 1. Características de los medidores eléctricos de conexión directa [4]. ................................................ 13

Tabla 2. Planeación de Frecuencias para cada AP ........................................................................................ 33

Tabla 3.Comparación entre versiones del estándar 802.11. ......................................................................... 36

Tabla 4. Parámetros según características del terreno................................................................................. 39

Tabla 5. Parámetros protocolo IEEE802.11b. ............................................................................................... 42

Tabla 6. Parámetros relevantes de IEEE 802.11 a/g. .................................................................................... 46

Tabla 7. Valores "Throughput" vs No. usuarios. ........................................................................................... 48

Tabla 8. Data rate vs Modulation. ............................................................................................................... 49

Tabla 9. Logical_Name para medición de energía consumida, con la clase registro. ..................................... 53

Tabla 10. Modelo del medidor inteligente con la clase de registro de demanda. .......................................... 54

Tabla 11. Logical_Name para medición del valor actual promedio............................................................... 54

Tabla 12. Logical_Name para medición del último valor promedio. ............................................................. 54

Tabla 13. Escala y unidad. ........................................................................................................................... 55

Tabla 14. Tamaño del paquete de datos. ..................................................................................................... 57

Tabla 15.Especificaciones del AP541N Access Point. .................................................................................... 61

Tabla 16.Especificaciones del Access Point Aironet 3600.............................................................................. 62

Tabla 17.Especificaciones técnicas del DWL-6600. ....................................................................................... 63

Tabla 18.Especificaciones técnicas DAP 3520. ............................................................................................. 64

Tabla 19.Especificaciones técnicas E-M110. ................................................................................................ 65

Tabla 20.Especificaciones técnicas E-MSM313. ........................................................................................... 66

Tabla 21. Priorización del tráfico de la red WiMAX para tener buen QoS [8]. ................................................ 76

Tabla 22. Proveedores de Internet banda ancha con tecnologías Wi-fi y WiMAX [11]. .................................. 80

Tabla 23. Parámetros dependientes del terreno [15]. .................................................................................. 86

Tabla 24. Parámetros de simulación [15]. ................................................................................................... 87

Tabla 25. Desviación estándar del error [17]. .............................................................................................. 89

Tabla 26. Sensitividad del Receptor [13]. ..................................................................................................... 89

Tabla 27. Sub portadores en canal de MHz para DL [13]. ............................................................................. 93

Tabla 28. Sub portadores en canal de MHz para UL [13]. ............................................................................. 93

Tabla 29. Parámetros OFDMA para canal de 10MHz [13]. ........................................................................... 94

Tabla 30. Modulaciones WiMAX [19] .......................................................................................................... 95

Tabla 31. MCs. ............................................................................................................................................ 95

Tabla 32. Parámetros AMI para cargar información del consumo. ............................................................... 96

Tabla 33. Usuarios DL, petición de la estación base. .................................................................................... 97

Tabla 34. Usuarios UL, respuesta de los AP'S ............................................................................................... 97


1. Introducción Actualmente, las comunicaciones enfrentan un proceso de desarrollo acelerado ligado a la

evolución tecnológica y las múltiples necesidades de expansión, velocidad, calidad y eficiencia de

los sistemas actuales de interconexión. De esta forma, se han desarrollado diversos métodos de

aplicación enfocados en el mejoramiento de los diferentes aspectos insuficientes de cada una de

las tecnologías de comunicación existentes. Igualmente dichos métodos requieren de la

innovación paralela en equipos e infraestructura compatible, que permita la aplicación de estos

nuevos estándares.

Así, se emerge la teoría de redes inteligentes (Smart Grids); y con ella, lo que posiblemente es su

principio de aplicación básico: las redes de comunicación AMI (Advanced Metering Infrastructure).

Este tipo de estructuras se enfoca directamente sobre el campo de operación del usuario,

introduciendo el concepto de medidores inteligentes en la vivienda común como inicio

fundamental de un nuevo sistema de control de servicios públicos. A partir de este punto, se

propaga un sistema de comunicaciones que permite la interacción de los consumidores con las

empresas de servicios, incentivándolos a adoptar un rol activo sobre las curvas de demanda y

costos de servicios.

Bajo estos parámetros, se plantea una iniciativa de diseño de una red AMI, aplicada

específicamente a medición de consumo de energía eléctrica y exclusivamente bajo el criterio

conocido como respuesta de la demanda, según el cual el usuario toma decisiones sobre su

consumo basadas en la comunicación bilateral con el centro de control y el impacto directo sobre

su pago por el servicio.

El desarrollo del proyecto comprende varias etapas, entre las cuales se encuentra el diseño de una

red de área local y de área amplia para la transmisión de datos, la elección de recursos apropiados

para tal fin, la aplicación de conceptos teóricos relacionados y finalmente, una evaluación de su

desempeño. Así mismo, el sistema cuenta con ciertas restricciones de operación que se enuncian a

continuación.

- El diseño de la red AMI debe comprender un radio de cobertura de 2 km en un sector de la

ciudad de Bogotá.

- La estructura tecnológica debe estar fundamentada en tecnología de red inalámbrica

WiMAX/Wi-Fi.

- El criterio principal de funcionamiento se centra en la aplicación de Respuesta de la

Demanda.

A continuación se describe el proceso realizado para el diseño correspondiente, incluyendo los

procesos de evaluación realizados y su respectivo análisis de conveniencia. De igual manera se

describe el contexto teórico de los diferentes aspectos implicados en cada una de las etapas de

diseño.


2. Respuesta de la Demanda Existen muchas aplicaciones y programas para realizar un control del consumo de potencia sobre

los usuarios finales del sistema eléctrico, con el fin de mejorar el perfil de voltaje y mantener la

cargabilidad del sistema en un límite razonable en las horas pico. Estos programas están basados

en incentivos por parte de la empresa comercializadora y sujetos a movimientos del precio de la

electricidad en un día normal en el mercado eléctrico.

Cada acción que toman los usuarios está motivada por los costos que implica su consumo, pueden

reducir su uso de energía en horas pico cuando los precios están muy altos y aumentarlo en otros

momentos del día, sin modificar su uso. Y finalmente los consumidores residenciales pueden

actuar activamente en la red usando generadores distribuidos por medio de la respuesta de la

demanda.

Los programas de Respuesta de la Demanda se pueden dividir en dos tipos:

Incentive Base Programs(IPB)

Price Based Programs(PBP)

En los programas IPB se encuentran los algoritmos de respuesta de la demanda convencionales

como lo son el control directo de carga (Direct Load Control) o el Interruptible Programs. Estos dos

programas están basados en un requerimiento directo del concentrador. Los PBP son quizás los

más aplicados en la actualidad, debido a que el cambio de carga y la reducción de consumo de

energía eléctrica por parte de los usuarios residenciales y comerciales, se puede hacer

automáticamente dependiendo del precio de la energía eléctrica en un día, lo cual hace más fácil

un control sobre cada una de las cargas de acuerdo a un precio establecido.

El más usado de estos programas es el Real-Time Pricing Program, cuya base de funcionamiento

se establece en el precio de la energía eléctrica en una hora, siguiendo las curvas de oferta y

demanda descritas por todos los consumidores asociados. A continuación, se describe más a fondo

la operación de este programa.

2.1 Real-Time Pricing Program Los programas RTP son programas en los cuales se asigna una tarifa por hora con precios

cambiantes que reflejan el costo real de la energía eléctrica en el mercado (fuera del alcance de

este proyecto). Así, los consumidores son informados previamente sobre los precios del día y hora

siguientes incentivando al usuario a regular su comportamiento de acuerdo a la dinámica de

costos del mercado, convirtiéndolo en un factor activo dentro de la curva de precios diaria.

Básicamente, los medidores inteligentes en la red de comunicaciones reciben datos sobre el precio

real del mercado en la hora k junto con diferentes señales de control y datos sobre límites de

capacidad, consumo y costo de la producción de la energía eléctrica. De acuerdo a esto, el

dispositivo actualiza su consumo dependiendo del costo entregado y envía el nuevo parámetro al


centro de control. Finalmente, el centro de control evalúa permanentemente el consumo de todos

los usuarios y entrega un precio óptimo calculado a través de un algoritmo de control.

La función de utilidad asociada tanto al consumidor como al proveedor de energía eléctrica, se rige

por la siguiente ecuación [1]

Donde hace referencia al consumo de energía eléctrica activa total de la casa, es un nivel de

saturación de la utilidad (definida por el mercado) y w un factor que caracteriza a los tipos de

consumidor.

Los costos de la energía eléctrica vienen dados por la siguiente ecuación, si se toma en cuenta un

generador térmico, aunque esta fórmula se puede aplicar para cualquier tipo de generador

cambiando los factores cuadráticos:

Donde L es la capacidad de generación o de potencia en un sector.

Se quiere maximizar entonces la diferencia entre la función de utilidad y la del costo de producir

energía eléctrica manteniendo el consumo de todos los usuarios por debajo de la capacidad total

de potencia de un sector.

Para poder determinar un precio justo tanto para consumidores como distribuidores de energía

eléctrica, cada parte debe tener una función a optimizar para así encontrar un precio óptimo que

maximice las funciones de utilidades tanto para el consumidor como para el distribuidor. Dado un

precio , cada consumidor actualiza su consumo óptimo en la hora k para el precio de dicha hora

a través de la siguiente ecuación:

Sujeto a que este consumo no esté por debajo ni por encima de las cotas superiores e inferiores

de consumo de cada usuario, valores que son dados por el proveedor de energía.


El proveedor, teniendo estos niveles de consumo de cada usuario y el total, puede formar su

función de utilidad de la siguiente manera para encontrar la capacidad óptima de la que podrán

disponer los usuarios asignados a una zona determinada:

Sujeto a que la capacidad de la que disponen los consumidores no sea mayor a los límites

disponibles de capacidades totales para esa zona.

Debido a que los programas de RTP deben hacerse cada hora y se debe planear el valor óptimo de

precio de energía eléctrica para la hora después, para así tener un precio en tiempo real y para

que los consumidores de energía reduzcan su consumo dada esta cantidad, el concentrador local

debe calcular el precio de la siguiente iteración del algoritmo:

Donde es el paso que se escoge para alcanzar una determinada convergencia.

Finalmente el cálculo del precio óptimo para cada hora se puede realizar de la siguiente manera:

Sin embargo, este precio puede cambiar para diferentes unidades de generación y políticas

regulatorias que la empresa proveedora de energía eléctrica tiene con respecto a la tarificación del

uso de energía eléctrica.

Habiendo definido el problema y los cálculos que se deben hacer tanto del lado del concentrador

como del medidor inteligente, los datos necesarios para la correcta tarificación y reducción del

consumo de energía por parte de cada usuario son: Capacidad máxima y mínima de la zona,

consumo mínimo y máximo permitido para cada usuario, precio real que refleje requerimientos y

restricciones del mercado eléctrico y el consumo regulado de cada consumidor.

2.2 Restricciones y Normatividades. Es fundamental, dentro del marco del uso de medidores inteligentes y medidores en general,

conocer las diferentes normatividades y reglamentos que rigen el mercado eléctrico y el uso

mismo de medidores. A continuación, se presenta contenido de normatividades y regulaciones

que existen en Colombia para los temas mencionados anteriormente.

La CREG (Comisión de Regulación de Energía y Gas) en su resolución 031 de 1997 establece las

diferentes formulaciones que se deben tener en cuenta para realizar los cobros por consumos de


energía y potencia eléctrica. A continuación, se presentan algunas definiciones tomadas del

Artículo 1 de la resolución mencionada anteriormente [2]:

Actividad de Comercialización de Energía Eléctrica: Actividad consistente en la compra de energía

eléctrica en el mercado mayorista y su venta a los usuarios finales, bien sea que esa actividad se

desarrolle o no en forma combinada con otras actividades del sector eléctrico, cualquiera sea la

actividad principal.

Cargo de Conexión: Suma que el usuario paga para cubrir los costos en que se incurre por

conectarlo al servicio de electricidad. En resolución separada la Comisión aprobará ese cargo.

Comercializador de Energía Eléctrica: Persona natural o jurídica que comercializa electricidad, bien

como actividad exclusiva o en forma combinada con otras actividades del sector eléctrico,

cualquiera de ella sea la actividad principal.

Costo de Prestación del Servicio: Es el costo económico de prestación del servicio que resulta de

aplicar: a) las fórmulas generales de costos establecidas en el anexo número uno de esta

resolución, sin afectarlo con subsidios ni contribuciones, y b) el costo de comercialización particular

aprobado por la Comisión para un determinado prestador del servicio, de acuerdo con el anexo

número dos de la presente resolución. Sobre el costo de prestación del servicio se determina el

valor de la tarifa aplicable al suscriptor o usuario.

Es preciso considerar las definiciones anteriores para tener una pequeña introducción sobre el

mercado eléctrico específicamente en Colombia. La empresa prestadora del servicio público, en

general, debe tener algún dispositivo encargado de realizar las mediciones del consumo realizado

por los diferentes usuarios que se conectan a la red eléctrica. Para tener control sobre la potencia

y la energía suministradas se ubican medidores de consumo en los diferentes hogares de los

usuarios, estos recogen la información del consumo y con base a la información suministrada se

generan los cobros en los periodos de facturación determinados. La Resolución CREG 113 de 1996,

en su Artículo 3, hace referencia a la estructura tarifaria del prestador del servicio. A continuación,

se muestran los diferentes cobros que puede realizar la empresa de servicio público en sus

periodos de facturación [3]

a) Un cargo por unidad de consumo por cada kilovatio hora de consumo facturado. El

comercializador aplicará al usuario una suma igual a la que resulte de las fórmulas tarifarias

generales.

b) Un cargo por unidad de potencia utilizada por el usuario en horas de máxima demanda,

respecto de aquellos usuarios cuya tarifa por unidad de consumo facturado no involucre el costo de

la potencia.


c) Un cargo de conexión que cubrirá los costos de conexión, cada vez que el usuario se conecte al

servicio de electricidad.

Al utilizar medidores inteligentes, se deben cumplir con los requerimientos expresados

anteriormente. El hecho de que se tenga un tipo de medidor diferente no cambia el formato ni la

estructura tarifaria que se ha diseñado e implementado en el país. De un medidor de energía

eléctrica, que se ubica en el nivel residencial con baja tensión y cargas menores a 55 kW, se tienen

dos posibles conexiones: directa o semi-directa. CODENSA, en su banco de normas y restricciones

define los requerimientos mínimos que tiene que cumplir un medidor en cada una de las

conexiones mencionadas. En conexión directa los parámetros son los siguientes:

Tabla 1. Características de los medidores eléctricos de conexión directa [4].

Es preciso mencionar que CODENSA proporciona los diferentes esquemas de conexión disponibles

para los diferentes medidores que hay en el mercado. No se encuentra dentro del alcance del

proyecto mostrar los diferentes esquemas de conexión existentes, es por tal motivo que no se

incluyen dentro del documento.

En caso de tener una conexión semi-directa, los requerimientos mínimos del medidor son los

siguientes:

Energía Activa

Energía Reactiva

Perfil de Carga

Tarifa Sencilla

Multi-rango en tensión hasta 480V

Clase 1 o mejor

Corriente nominal: 5 A

Corriente máxima: 6 o 10 A[16]

Los medidores inteligentes que se instalen en cada uno de los usuarios residenciales de la zona

seleccionada para el proyecto, deben cumplir con las condiciones mínimas establecidas por

CODENSA, que fueron mencionadas anteriormente. Adicionalmente, se espera del medidor

inteligente que haga una recolección de datos durante un periodo de tiempo y se comunique


inalámbricamente con un concentrador de datos para realizar intercambio de información de

consumo, tarificación, entre otras variables.

3. Medidores Inteligentes: Los medidores inteligentes son dispositivos de cuantificación que permiten determinar el consumo

de energía eléctrica, gas natural o agua para un hogar o establecimiento individual. Su

funcionamiento, además de comprender la tarea realizada por los contadores tradicionales,

establece un enlace de comunicación que permite transmitir información de forma bidireccional

entre la empresa de energía y el punto de consumo. De esta forma, se establece un sistema de

control a partir del cual se regula el consumo de los servicios mencionados de forma automática.

Los medidores inteligentes permiten capturar información del consumo e incluso de la calidad de

la potencia en zonas residenciales, comerciales e industriales y enviarla por medio de una red de

comunicaciones al centro de control de la empresa prestadora del servicio de distribución de

energía eléctrica, que para el caso de Bogotá es CODENSA.

Figura 1. Red AMI.

Así, se pueden encontrar diversos tipos de medidores que operan bajos condiciones similares para

establecer una comunicación con el centro de operación local para efectos de seguimiento y

facturación. Las ventajas otorgadas por este tipo de dispositivos comprenden múltiples formas de

ahorro energético y modificación de la curva de demanda actualmente creada, con el fin de

reducir costos y proyectar una disminución en el impacto ambiental.


Esta nueva generación de medidores comprende el ápice de las redes inteligentes, Smart Grids,

que pretenden implementar sistemas avanzados de comunicaciones en redes de área local y área

amplia de forma alámbrica o inalámbrica.

A continuación, se presenta una gráfica ilustrativa del intercambio de información entre los

medidores inteligentes, el centro de control de CODENSA y la subestación del sector:

Figura 2. Red AMI en sector residencial.

En la Figura 2 se puede observar las señales bilaterales de datos, respuesta de la demanda,

facturación y control de reactivos que se intercambian entre los medidores inteligentes de cada

casa, el centro de control de CODENSA y el centro de control de la subestación donde se realiza la

compensación de reactivos. Además, se observa la señal de precios enviada desde CODENSA

hasta las residencias con la finalidad de incentivar un uso racional de la energía eléctrica.

3.1 Funcionamiento: Los medidores inteligentes se componen de los siguientes elementos:

Alimentación.

Memoria no volátil.

Micro controlador.

Conversor análogo digital.

Antenas de transmisión RF y tablero de comunicaciones.

El funcionamiento del medidor inteligente se basa en la medición de corriente y voltaje en las

residencias. Estos datos ingresan a un conversor análogo digital para poder ser procesados y

almacenados en una memoria no volátil, es necesario que la memoria sea no volátil para


garantizar que los datos guardados no se pierdan incluso si el medidor se encuentra des

energizado.

Posteriormente, se realiza un procesamiento en un micro controlador a los datos almacenados de

acuerdo a las características específicas de cada marca de medidores inteligentes. En general, las

funciones se basan en el cálculo de la potencia activa y reactiva consumida, la generación del perfil

de voltaje de los consumidores y en algunos equipos más especializados se evalúan parámetros de

calidad de la potencia como la distorsión armónica total THD, sag, swell, entre otros.

La operación de la red de comunicaciones estructurada a partir de medidores inteligentes, centra

su funcionamiento en el sistema de transmisión de datos de consumo energético obtenido en

cada uno de los dispositivos instalados. Así, se encuentran tres tipos de antenas en la red; dos

ubicados propiamente en el medidor y el tercero sobre el centro de recolección de datos de área

local o concentrador.

Inicialmente, resulta válido aclarar que la mayoría de medidores comprende antenas o

transmisores internos con la capacidad de transmitir los datos de consumo sobre una red de

comunicaciones al concentrador y posteriormente a la empresa encargada de la regulación del

suministro. Sin embargo, muchas veces se implementan antenas externas con el fin de transmitir a

distancias mayores de las soportadas o mejorar la confiabilidad del enlace.

Así, los medidores de operación inalámbrica generalmente poseen una antena RF que opera en el

rango de frecuencias de 902 a 928 MHz, para las redes de área local (LAN). Este intervalo es

conocido por transmitir sobre una banda de licencia libre. Un segundo transmisor situado en el

dispositivo, opera a una frecuencia mayor, correspondiente a 2,4 GHz; abarcando un rango desde

2405 MHz hasta 2483 MHz. Esta banda, es diseñada para funcionar en redes de área de hogar

(HAN) con protocolos de corto alcance como ZigBee, sin embargo cabe precisar que a esta misma

frecuencia se puede establecer un enlace de comunicaciones usando una red Wi-fi.

Finalmente, el tercer tipo de antena es ubicado en el concentrador, diseñada para operar en redes

de área amplia (WAN). Este tipo de transmisor usa las mismas bandas de transmisión establecidas

para la red celular, de esta forma funciona a 850 MHz y 1900 MHz. A partir de este dispositivo se

transmite la información a la empresa de energía correspondiente.

A continuación, se presenta el diagrama de bloques de un medidor inteligente que incluye

comunicación por PLC (Power Line Communication), con una red de área de hogar (HAN) que usa

el protocolo ZigBee y con una amplia variedad de opciones de comunicación con la red de área

amplia.


Figura 3. Configuración interna medidor inteligente.

3.2 Oferta de medidores Inteligentes en el Mercado: Existe una asociación “Smart Meter Manufacturers Association of America” compuesta por una

serie de empresas que fabrican medidores inteligentes, algunos de estos, actualmente ofrecidos

en el mercado, se describen a continuación:

3.2.1 Fabricante: General Electric Company.

A continuación, se presentan los medidores inteligentes ofrecidos por General Electric:

Modelo: SGM 1100 IEC.

Figura 4. SGM 1100 IEC.


Funciones:

Medición de demanda.

Medición de tiempo de uso y medidas de facturación.

Registro de sobre tensiones o caídas de voltaje.

Variables eléctricas medidas: Este medidor permite realizar un monitoreo y manejo de la calidad

de la potencia de la red de distribución, para esto, toma mediciones de parámetros como la

energía activa y reactiva en cada cuadrante, voltaje y la intensidad de éste en cada una de las

fases. Adicionalmente, registra las curvas de carga de acuerdo al periodo configurado, almacena la

información de demanda y el resumen de la información para el control de facturación con una

resolución de minutos y el registro de hasta 12 meses.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Configuración: Elemento de medición monofásica directamente conectado. Voltaje Nominal: 230V. Frecuencia: 50Hz. Consumo de Potencia: 1,9W sin comunicación PLC y 2,1W con comunicación PLC. Precisión: A continuación, se presenta la precisión del medidor inteligente de acuerdo al estándar europeo EN 50470 para equipos de medición de energía eléctrica.

Energía Activa: Clase A o Clase B según el estándar EN 50470-3. Aproximadamente de +/- 0,2%.

Energía Reactiva: Clase 2 o Clase 3 según el estándar EN 62052-23. Aproximadamente de +/- 0,2%.

Frecuencia de medición: Configurable para 5-15-30-60 minutos. Tamaño de Memoria: 5MB – 10MB. Protocolos aplicación: Protocolo COSEM IEC 62056-53. Comunicación: PLC OFDM de acuerdo al estándar PRIME. Protocolo y modelo de datos: DLMS/COSEM. Puerto óptico: Según el estándar IEC 62056-21.


Familia: SGM 3000 IEC.

Figura 5. SGM 3000 IEC.

Modelos disponibles: SGM 3011, SGM 3013, SGM 3023, SGM 3030, SGM 3031, SGM 3033 y SGM 30C2. Funciones:

Medición de demanda para aplicación de respuesta de la demanda con lo que se puede generar una disminución del 5% al 15% del uso mensual de la energía por parte de los clientes.

Tiempo de uso y mediciones de facturación.

Almacena múltiples perfiles de carga.

Medición de energía de todos los cuadrantes.

Almacena información sobre violación de los límites de frecuencia y voltaje.

Manejo de la restauración del suministro y energización de la carga. En la Figura 6 se puede observar que la comunicación interna en la residencia se realiza mediante

el protocolo de comunicación 802.15 ZigBee, posteriormente las mediciones capturadas por el

medidor inteligente son enviadas al centro de control de CODENSA por distintos protocolos de

comunicación que serán seleccionados de acuerdo a las necesidades del diseño:

Figura 6. Operación del SGM 3000.

Variables eléctricas medidas: Dentro de la familia de medidores SGM 3000 tiene 8 variaciones de

medidores que incluyen: medidores monofásicos, trifásicos, elementos duales tanto para zonas

residenciales como para el sector comercial. Para aplicaciones de manejo de la demanda, el


medidor soporta un amplio rango de configuraciones de control de la carga. El medidor soporta un

relé principal de desconexión de 100A y dos relés de control de capacidad de 40 A o 2A. Por otro

lado, para aplicaciones de calidad de la potencia, el medidor monitorea parámetros como la

energía activa, energía reactiva, el THD (Distorsión Armónica Total), perfiles de voltaje, estadísticas

de salidas de funcionamiento y frecuencia de eventos de sobre tensión o bajo voltaje.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Configuraciones:

Medición monofásica, conexión directa.

Medición trifásica, conexión directa. Voltaje Nominal: 220/230/240V. Frecuencia: 50Hz o 60Hz. Consumo de Potencia: 1,2W monofásico y 1,7W trifásico. Precisión: A continuación, se presenta la precisión del medidor inteligente de acuerdo al estándar IEC 62053 “Requerimientos Particulares de los equipos de medición de energía eléctrica”.

Energía Activa: Clase 1 según el estándar IEC 62053-21. Aproximadamente de +/- 0,2%.

Energía Reactiva: Clase 2 según el estándar IEC 63052-23. Aproximadamente de +/- 0,2%. Frecuencia de medición: Configurable para 5-15-30-60 minutos. Tamaño de Memoria: 5 MB – 10MB. Protocolos aplicación: Protocolo COSEM IEC 62056-53. Puertos de comunicación: RS-232, RS-485 y puertos ópticos IEC o ANSI. Comunicación: La familia SGM 3000 soporta un amplio rango de tecnologías de comunicaciones,

por esto la interfaz de comunicación es compatible con GPRS, 3G, WiMAX, LTE, RF Mesh, PLC y

Ethernet, para acomodarse a distintos tipos de redes de área amplia WAN inteligentes.

Por otro lado, para la red de área de hogar HAN, el medidor incluye internamente puertos de

interfaz con ZigBee.

Protocolo y modelo de datos: DLMS/COSEM o ANSI C.12.18/19. Puerto óptico: Según el estándar IEC 62056-21 o ANSI C12.18. Red de área Local (HAN): ZigBee 802.15. Para la medición de la calidad del suministro de energía eléctrica el medidor avisa en caso de

presencia de sobre tensión, voltaje bajo, fenómenos de sag y swell con mediciones de THD, voltaje

y frecuencia.


Familia: I-210 ANSI.

Figura 7. I-210 ANSI.

Modelos Disponibles: I-210+c, I-210+. Precio: $572 USD. Funciones:

Medición de energía.

Cálculo y manejo de demanda.

Tiempo de uso y perfil de carga.

Sistema de pago remoto.

Control de restauración de salidas. Variables eléctricas medidas: El medidor inteligente toma mediciones de la energía activa, energía reactiva, voltaje, corriente para generar perfiles de voltaje y curvas de demanda y de tiempo de uso de la energía. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Configuración: Medidor Monofásico. Voltaje Nominal: 120-240V. Frecuencia: 50Hz o 60Hz. Precisión: A continuación, se presenta la precisión del medidor inteligente de acuerdo al estándar ANSI C12.20 “Estándar Nacional Americano para medidores de electricidad clases de precisión 0,2 y 0,5”.

Energía Activa: Clase 0,5 según el estándar ANSI C12.20. Aproximadamente de +/- 0,2%.

Energía Reactiva: Clase 0,5 según el estándar ANSI C12.20. Aproximadamente de +/- 0,2%. Frecuencia de medición: Configurable para 5-15-30-60 minutos. Tamaño de Memoria: 5MB – 10MB. Protocolos aplicación: ANSI C12.22. Comunicación: RF Mesh, PLC, GSM/CDMA, Ethernet. Protocolos y modelo de datos: ANSI C.12.18/19.


CARACTERÍSTICAS ANTENA RF Los medidores inteligentes de General Electric poseen antenas de transmisión de radio frecuencia

tanto para la red de área local como para la red de hogar, estas antenas son fabricadas por Silver

Spring Networks y poseen las siguientes características:

Potencia de transmisión:

900MHz RF LAN: 27-30dBm (100 a 200mW).

2,4GHz RF HAN: 20-23dBm (5mW-1W). Sensitividad del receptor: -97dBm.

3.2.2 Fabricante: Echelon.

Modelo: MTR 3500.

Figura 8. MTR 3500.

Funciones:

Medidor de energía altamente resistivo a campos magnéticos.

Comprende mediciones multi-tarifa para diferentes configuraciones de tiempo (día, semana, etc.).

Mediciones de calidad de potencia eléctrica.

Permite conexión con otro tipo de medidores (agua, gas, etc.).

Presenta un nivel de confiabilidad entre 99.7-100%. Variables eléctricas medidas: Debido a que comprende la capacidad de hacer mediciones de calidad de la potencia eléctrica,

este dispositivo realiza mediciones de corriente, voltaje, potencia activa, potencia reactiva y factor

de potencia. Igualmente, se encuentra en condiciones de medir niveles de distorsión armónica en

el rango de 2 a 150 kHz.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS


Configuración:

Conexión indirecta vía CT/VT para 3 fases, 4 hilos Delta-Estrella. Voltaje Nominal: 220-240 V. Frecuencia: 50Hz. Consumo de Potencia: inferior a 2W. Precisión: A continuación, se presenta la precisión del medidor inteligente de acuerdo al estándar IEC 62053 “Requerimientos Particulares de los equipos de medición de energía eléctrica”.

Energía Activa: Clase 1 según el estándar IEC 62053-21.

Energía Reactiva: Clase 2 según el estándar IEC 62053-23. Frecuencia de medición: 5,10, 15, 20, 30, 60 minutos, 1 día. Tamaño de Memoria: 5MB - 10MB. Protocolos aplicación: IEC 62056-53. Comunicación: Como una de sus grandes ventajas, el dispositivo puede establecer comunicación con otros medidores inteligentes instalados en la red de hogar (agua, gas, temperatura) a través de estándares de compatibilidad. Así, puede establecer un enlace de comunicaciones con tecnología ZigBee de radio frecuencia, canales de comunicación por líneas de transmisión (PLC), Multi-purpose Expansion Port (MEP), o dispositivos de redes de área de hogar que usen protocolos Open Smart Grid (OSGP). Protocolo y modelo de datos: DLMS/COSEM. Puerto óptico: Bajo el estándar IEC 62056-21.

Modelo: MTR 3000.

Figura 9. MTR 3000.

Funciones:

Medidor con tecnología resistente a campos magnéticos.

Permite mediciones de calidad de la potencia.


Variables eléctricas medidas: Al igual que el modelo anterior, este dispositivo mide señales de voltaje, corriente, potencia

activa, potencia reactiva y factor de potencia. Así como también el nivel de THD o distorsión

armónica.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Configuración:

Conexión indirecta vía CT/VT para 3 fases, 4 hilos Delta-Estrella. Voltaje Nominal: 220-240 V. Frecuencia: 50Hz. Consumo de Potencia: inferior a 2W. Precisión: A continuación, se presenta la precisión del medidor inteligente de acuerdo al estándar IEC 62053 “Requerimientos Particulares de los equipos de medición de energía eléctrica”.


Energía Reactiva: Clase 2 según el estándar IEC 62053-23. Frecuencia de medición: 5,10, 15, 20, 30, 60 minutos, 1 día. Tamaño de Memoria: 5MB - 10MB. Protocolos aplicación: IEC 62056-53. Comunicación: Los medidores MTR 3000 poseen 4x16 canales para perfil de datos, donde cada uno puede ser configurado de forma independiente. Es compatible y puede comunicarse con otros tipos de medidores (gas, agua, temperatura). De igual forma puede adaptarse fácilmente con tecnología ZigBee RF (Radio Frecuency), M-bus, MultipurposeExpansion Port (MEP) o con dispositivos de área de hogar (HAN) con protocolo OSGP (Open Smart GridProtocol). Protocolo y modelo de datos: DLMS/COSEM Puerto óptico: Opera bajo el estándar IEC 62056-21.

Modelo: ANSI 2S METER.

Figura 10. ANSI 2S METER.


Funciones:

Medición de parámetros eléctricos: voltaje corriente, interrupciones de corta y larga duración.

El dispositivo permite realizar análisis de calidad de la potencia, evaluar niveles de voltaje y THD (Total Harmonic Distortion).

Diseñado para establecer una conexión de comunicaciones mediante PLC. Variables eléctricas medidas:

Voltaje, Corriente, Potencia activa, Potencia reactiva, factor de potencia. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Configuración: 1 fase, 3 hilos. Voltaje Nominal: 240 V. Frecuencia: 60Hz. Consumo de Potencia: inferior a 2W. Precisión: A continuación, se presenta la precisión del medidor inteligente de acuerdo al estándar IEC 62053 “Requerimientos Particulares de los equipos de medición de energía eléctrica”.


Energía Reactiva: Clase 2 según el estándar IEC 62053-23. Frecuencia de medición: 5,10, 15, 20, 30, 60 minutos, 1 día. Tamaño de Memoria: 5MB - 10MB. Protocolos aplicación: ISO 14908 y ANSI CEA 709. Comunicación: El dispositivo se encuentra diseñado para soportar sistemas de comunicación

basados en PLC (Power Line Comunications) según el protocolo ISO 14908 y ANSI CEA 709.

En cuanto a la red de área de hogar, se puede establecer conexión con dispositivos ZigBee, puesto

que permite la instalación interna de tarjetas de radio de este tipo.

Protocolo y modelo de datos: ANSI C12.18-2006 (protocol specification for ANSI Type 2 optical port). Puerto óptico: ANSI C12.18-compliant Optical Port. CARACTERÍSTICAS ANTENA RF Para todos los medidores Echelon, los parámetros de antena convergen en los presentados a continuación: Potencia de transmisión:

900MHz RF LAN: 28dBm.

2,4GHz RF HAN: 21dBm.


Sensitividad de antena: -94dBm.

3.2.3 Fabricante: Itron.

Modelo: EM 420i.

Figura 11. EM 420i.

Funciones:

Medición de potencia activa, reactiva y aparente en los cuatro cuadrantes, incluyendo registros de demanda.

Monitoreo de la calidad de la potencia: sags, swell, voltaje promedio y pérdidas de voltaje.

Permite generar 3 perfiles de carga independientes.

Variables eléctricas medidas: El medidor inteligente permite registrar valores de potencia activa, reactiva y aparente en los 4 cuadrantes, generar perfiles de carga y de demanda. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Configuración:

Monofásico de 2 hilos en conexión asimétrica.

Monofásico de 2 hilos en conexión simétrica.

Trifásico de 4 hilos en conexión asimétrica.

Trifásico de 3 hilos en conexión asimétrica. Voltaje Nominal: 220-230-240 V. Frecuencia: 50Hz o 60Hz. Consumo de Potencia: Precisión: A continuación, se presenta la precisión del medidor inteligente de acuerdo al estándar IEC 62053 “Requerimientos Particulares de los equipos de medición de energía eléctrica”.

Energía Activa: Clase 1 según el estándar IEC 62053-21. Aproximadamente de +/- 0,2%.

Energía Reactiva: Clase 2 según el estándar IEC 63052-23. Aproximadamente de +/- 0,2%. Frecuencia de medición: Configurable para 5-15-30-60 minutos.


Tamaño de Memoria: 5MB - 10MB. Protocolos aplicación: Protocolo COSEM IEC 62056-53. Comunicación: Para la red de área local y la red de área amplia el medidor inteligente ofrece conexión para GPRS, 3G (UMTS/HSPA), PLC-FSK, PLC-OFDM y Ethernet. Por otro lado, para la red de hogar el medidor permite conexión con ZigBee y un Bus de Wireless. Protocolo y modelo de datos: DLMS/COSEM. Puerto óptico: Según el estándar 62056-21. CARACTERÍSTICAS ANTENA RF Potencia de transmisión: Todos los medidores Itron operan a baja potencia nominal, dependiendo del rango de frecuencia en el que se encuentre transmitiendo. De esta forma se establece la división por bandas de la siguiente forma:

900 MHz RF LAN transmiter: la comunicación en este rango se realiza a 24 dBm (251 mW).

2,4 GHz RF HAN transmiter: por otro lado a esta frecuencia se utiliza una potencia aproximada de 18,5 dBm (70,8).

Sensitividad del receptor:-105dBm en 900MHz

3.3 Recepción datos centro de control Los datos almacenados por el medidor inteligente son enviados por una red de área local hacia el

concentrador de datos, éste a su vez envía la información hacia el centro de control de la empresa

distribuidora de energía por medio de una red de área amplia. En el centro de control la

información recolectada de los concentradores del sector es recibida en un computador, el cual

realiza el procesamiento de la información y el algoritmo de respuesta de la demanda por medio

de un software especializado de cada fabricante de medidores inteligentes.

A continuación, se presentan algunos software de análisis de datos disponibles en el mercado:

3.3.1 Power on Precision.

Fabricante: General Electric Company. Funciones:

Maximiza la flexibilidad para el despacho de recursos de acuerdo a la localización geográfica.

Integra algoritmos de respuesta de la demanda y comportamiento de usuarios.

Genera perfiles de precio que pueden variar durante horas, días, meses y temporadas.

Incrementa el nivel de participación de los usuarios, con algoritmos de respuesta de la

demanda donde el cliente toma parte activa.


Figura 12. Interfaz del software PowerOnPrecision.

3.3.2 World Energy

Fabricante: Itron. Funciones:

Monitoreo en tiempo real de la demanda actual, basado en niveles deseados.

Mejora la confiabilidad del sistema ya que permite mejorar la acción del centro de control

en presencia de picos de carga.

Incrementa el nivel de participación de los usuarios, con algoritmos de respuesta de la

demanda donde el cliente toma parte activa.

Figura 13. Interfaz del World Energy.

El instrumento de medición seleccionado se encuentra en la familia I-210 ANSI, del fabricante

General Electric, puesto que, según la base de datos consultada es quien brinda un servicio más

completo y preciso de acuerdo con los requerimientos de diseño.


4. Descripción caso de estudio

4.1 Sectorización de Área de Cubrimiento WAN para Red AMI Para poder definir la localización de cada Access Point para el tendido de las celdas Wi-Fi, se debe

definir la localización en Bogotá en la cual se instalará la red WAN de medidores inteligentes. Para

esto se escogió un radio de 2km en localidad de Teusaquillo en Bogotá, en la cual existe una gran

cantidad de casas, edificios residenciales y empresas comerciales que tienen una demanda de

electricidad alta debido a la alta urbanización del sector. El centro del círculo mostrado en la Figura

14 representa simplemente una referencia para saber cuál es el sector que define el área de 2km

de cobertura la red AMI.

La sectorización de la localidad en Bogotá se realizó con el fin para de delimitar de una mejor

manera la cobertura total que tiene la red, como es la distribución de todos los lugares y si hay

zonas que se puedan tomar como urbanas o suburbanas para poder definir un modelo de

propagación apropiado para cada zona. Como se puede apreciar en la Figura 14 existen 3 zonas

suburbanas con poca cantidad de apartamentos y con espacios amplios donde no hay casas que

tengan medidores y 4 zonas urbanas donde la cantidad de edificios de apartamentos, de

residencias grandes y consumidores medianos como centros comerciales es considerable.

Figura 14. Sectorización Área de Cobertura de Red AMI en Bogotá (Localidad: Teusaquillo)


A continuación, se muestran algunas imágenes de las zonas en las cuales se implementara la red

AMI.

Figura 15. Zona Suburbana 1 y Zona Suburbana 2

Figura 16. Zona Urbana 1 y Zona Urbana 3.

Figura 17. Zona urbana 4 y Zona Suburbana 3.


Figura 18: Zona Suburbana 3.

4.2 Determinación banda de frecuencia de trabajo La escogencia de la banda de frecuencia soportada por la tecnología Wi-Fi, en la que se va a

trabajar para redes LAN, es una parte importante para el diseño de las redes AMI debido a que

esta banda de frecuencia determina la disponibilidad de equipos de medición de energía eléctrica

en el mercado que trabajen a esa banda y las especificaciones tanto de las antenas RF para la

transmisión inalámbrica como los AP para la conexión de los medidores con la red.

Debido a que la red LAN se implementará con el protocolo de comunicaciones Wi-Fi, las bandas en

las que los equipos y antenas pueden trabajar son de 2.4GHz y 5GHz.

Como se explicó anteriormente, las dos bandas de frecuencia se ven limitadas en su uso por las

regulaciones locales de cada país para la asignación del espectro para actividades comerciales

como la implementación de una red AMI.

Además de esta restricción de uso, el desempeño de cada banda para situaciones diferentes

afecta la escogencia de la banda óptima para implementar la red LAN. La banda de 5GHz tiene un

ancho de banda mayor lo cual mejora el desempeño del intercambio de datos.

Al igual que el desempeño de cada banda, la interferencia de señales de radio que se pueden

presentar también afecta el correcto funcionamiento de la red AMI. Por ejemplo, los equipos que

se usan en el mercado hoy en día trabajan a frecuencias de 2.4GHz y esto puede ser una ventaja

de la banda 5Ghz debido a que la concurrencia de equipos que causen interferencia es baja, sin

embargo, con el crecimiento futuro de tecnologías que necesitan mayores tasas de transmisión,

más equipos y AP residenciales trabajarán en esta banda, y esto podría causar interferencia.

En este caso, para la implementación de una red AMI que cumpla con programas de respuesta a la

demanda RTP, se necesita que haya un desempeño y un throughput mayores ya que la respuesta

debe ser casi inmediata. Por esta razón, se usará la banda de 5GHz debido a sus altas tasas de

transmisión y ancho de banda mayor.


4.3 Tendido de Celdas Wi-Fi Ya que se poseen todos los radios máximos, alcance máximo que tiene cada medidor inteligente

para enviar sus datos y el radio de cobertura de un AP para la asignación de medidores que le

envían sus datos a cada AP (concentrador) para seguir con una configuración enmallada, se puede

determinar un tendido base de celdas así como una asignación de frecuencias óptimas para cada

celda para cubrir todo el radio de 2km totales de la red que se expuso en la Figura 14. Esta

configuración base se muestra a continuación:

Figura 19: Formato de Celdas Base para zonas suburbanas y urbanas

Como se puede ver, se aproximaron los radios de cobertura de cada AP a un hexágono ya que el

radio de cobertura no es un círculo perfecto debido a las pérdidas relacionadas con el modelo de

propagación escogido. Cada celda tiene un radio aproximado de 100 metros para zonas

suburbanas y un radio de 75 metros para zonas urbanas, de acuerdo a los dos modelos de

propagación utilizados y explicados en la siguiente sección.

Debido a que en este caso se escogió que los medidores y los AP funcionen en la banda de 5GHz

por lo explicado anteriormente y siguiendo las restricciones para el uso de la banda de 5GHz

expuestas por el ministerio de Telecomunicaciones y Tecnologías de la Información, se le asignó a

cada celda un canal diferente a una frecuencia determinada. Cabe anotar que los canales

escogidos tienen un ancho de banda de 40MHz y que cada canal no se sobrepone sobre el otro, es

decir cada uno de los 9 canales, cada uno en una celda, se pueden usar y cada uno no causa


interferencia con el otro (esto se debe a la naturaleza de los canales de 5GHz expuesta en IEEE

802.11n). La lista de todas las frecuencias asignadas para cada AP se muestran en la Tabla 2:

Tabla 2. Planeación de Frecuencias para cada AP

Non Overlaping Channels AP asociado

UNII-2/Middle Band

Canal C52 5,260 GHZ AP1


UNII-2 Extended




CanalC140 5,7 GHZ AP6

UNII-3/Upper Band

CanalC149 5,745 GHZ AP7



Como se puede apreciar cada AP (asociado a una celda) tiene asignada una frecuencia central en la

banda de 5GHz permitida para uso comercial por el Ministerio TIC.

4.4 Interferencia de la banda de 5GHz Actualmente, no se cuenta con una gran cantidad de dispositivos operando en la banda de 5GHz.

Es por este motivo, se decide escoger esta banda de frecuencia para la operación de la red WiFi en

el proyecto. Se dispone de un número mucho mayor de canales (23) contra los 3 canales que

ofrece la banda de 2.4 GHz. La banda de 2.4 GHz presenta altos niveles de interferencia puesto

que hay un gran número de dispositivos electrónicos y equipos eléctricos que operan en esta

banda de frecuencia: hornos microondas, teléfonos inalámbricos, entre otros. Dado que las dos

bandas ofrecen un throughput igual y la banda de los 5GHz se presenta como una banda menos

usada, se prefiere trabajar con esta banda ya que al momento de desarrollo del proyecto se

encuentra más libre.

Es preciso mencionar, que con el aumento de consumidores, la implementación de la red AMI,

entre otros, la banda de 5GHz pasará a tener una mayor ocupación y habrá más equipos diseñados

para operar en esta banda de frecuencia. Con el tiempo, es posible que se aumenten los niveles de

interferencia entre equipos diseñados para esta banda de frecuencia, que actualmente sólo usan

radares y satélites digitales, pero al presentar un alto número de canales disponibles se puede

contrarrestar el efecto y tener un nivel de interferencia muy bajo, o prácticamente nulo.


5. Red de área local IEEE 802.11 WiFi Una red LAN inalámbrica tiene como propósito realizar conexiones entre equipos en edificios,

hogares y zonas urbanas, entre otros. La red inalámbrica LAN (WLAN, por las siglas en inglés) se

encuentra descrita en el estándar 802.11 que se ha ido modificando a medida que se desarrollan

nuevas tecnologías, a tal punto que se ha pasado por la versión a, b, g y actualmente la

comunicación WiFi se rige por las lineamientos del estándar 802.11n.

A continuación, se muestra un gráfico de la evolución del estándar a través de los años. Las

diferentes mejoras que se realizan, tienen el propósito de mejorar el desempeño, las tasas de

transmisión de datos, entre otros.

Figura 20. Evolución del estándar 802.11.

El estándar 802.11 se creó en 1997, especificando el uso de las tecnologías DSSS (Direct Sequence

Spread Spectrum) y FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) para generar tasas de transmisión

de 1 y 2 Mb/s en la banda de 2.4 GHz. Para ese entonces, estas tasas de transmisión eran más que

suficientes dado que su uso era para transmitir códigos de barras que se ajustaban a las tasas

mencionadas. Inicialmente, la estandarización fue complicada dado que se presentaban costos

muy altos y los principales fabricantes de tecnologías inalámbricas preferían usar sus propios

estatutos y códigos con sus usuarios antes que usar un estándar.

En 1999 el grupo 802.11, entidad encargada de crear y modificar el estándar, crea la versión

802.11a que ofrece tasas de transmisión de hasta 54Mbps en la banda de frecuencia de 5GHz

usando la tecnología OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). A pesar de haber sido

desarrollado en 1999, no se fabricaron componentes y su puesta en operación tuvo que esperar

algunos años dado a la dificultad de implementar operaciones en la banda de 5 GHz, dado que los

equipos diseñados bajo el estándar 802.11a no eran compatibles con la banda de frecuencia de

2.4 GHz. La razón del uso de banda de 5GHz es que ofrece una mayor cantidad de canales que no

se sobreponen entre sí, además de ser una banda con poca interferencia.


El grupo 802.11 desarrolla en 1999 la versión 802.11b del estándar, para tener una mayor tasa de

transferencia de datos en la banda de 2.4GHz. La mayor tasa de transferencia se logra

implementando DSSS de 5.5 y 11 Mbps. La transición de tecnologías entre 802.11 y 802.11b fue

relativamente fácil y rápidamente todos los equipos adoptaron el nuevo estándar. Los hornos

microondas, teléfonos, entre otros equipos bastante utilizados comercialmente, trabajan con

frecuencias alrededor de la banda de 2.4GHz, es por esto que se presentan altas interferencias y el

throughput se ve altamente alterado por estos equipos. Es por esto que se mantiene la

importancia de contemplar opciones en la banda de 5GHz. Uno de los grandes problemas del

802.11b es que sólo dispone de 3 canales en los que no ocurre superposición mutua, dado que el

espectro es de 90 MHz y cada Access Point requiere usar 30 MHz para transmitir. Se asignaron los

canales 1, 6 y 11 para la transmisión de datos para evitar interferencias entre los canales. Por lo

anterior, se tiene una capacidad baja de usuarios.

En 2004 se entrega la versión 802.11g del estándar. Es de gran similitud con la 802.11b aunque

son incompatibles ya que son basadas en diferentes tipos de modulaciones, además, el 802.11g

permite una tasa de transferencia de hasta 54 Mbps.

La versión 802.11n, mejora las versiones anteriores en términos de capacidad, mejor desempeño y

confiabilidad dada su operación MIMO (Multiple Inputs Multiple Outputs), junturas de canales y

protocolos más eficientes. Adicionalmente esta versión lleva a una reducción de costos, mejora

problemas de interferencia y los tiempos de espera de solución de errores. La versión 802.11n,

ratificada el 11 de Septiembre de 2009, entrega tasas de transmisión muy por encima de los

100Mbps mejorando el throughput de las versiones anteriores. La WiFi Alliance, entidad

encargada de certificar equipos que cumplan con el estándar 802.11 vigente a la fecha, empieza a

certificar equipos que sigan los lineamientos de la versión 802.11n del estándar. Esta versión del

estándar permite la operación tanto en la banda de 2.4, como en la de 5 GHz lo que da flexibilidad

de cumplir diferentes requerimientos que se puedan presentar a la hora de crear la red. Es

compatible con las versiones 802.11 a y con la versión 802.11g. Algunos de los requerimientos más

importantes de la versión 802.11n son:

Al menos 100 Mbps throughput por cada canal de 20 MHz

Densidad espectral de al menos 3 bps/Hz

Soportar la operación en la banda de 5GHz

Compatibilidad con la versión 802.11 a

A continuación, se muestra una tabla comparativa de los diferentes estándares entre sí[5]:


Tabla 3.Comparación entre versiones del estándar 802.11.

5.1 Asignación y Regulación de las bandas de frecuencia WiFi en

Colombia En el Artículo 5 de la Resolución 000689 de 2004, el Ministerio de Comunicaciones asigna las

diferentes bandas de frecuencia del espectro que pueden ser usadas en el territorio nacional por

equipos y redes inalámbricos. A continuación, se presenta la asignación de bandas realizada por el

Ministerio:

Banda de 902 a 928 MHz

Banda de 2400 a 2483,5 MHz





En los Artículos 6 y 7 se establecen las normatividades y restricciones que deben cumplirse para el

uso de las diferentes bandas mencionadas anteriormente. En el Artículo 6 se hace mención, entre

otras, de la banda que va de 5725 MHz a 5850 MHz (banda de interés entre las mencionadas en

este Artículo). Con respecto a esta banda, se tienen las siguientes restricciones (se toman algunas

restricciones significativas y son tomadas textualmente del contenido de la Resolución

mencionada):

Los sistemas de salto de frecuencia que operan en la banda de 5 725 a 5 850 MHz, deben usar por lo menos 75 frecuencias de intercalamiento. El ancho de banda máximo permitido a 20 dB del canal de intercalamiento corresponde a 1 MHz. El tiempo promedio de ocupación de cualquier frecuencia no deberá ser mayor que 0.4 segundos dentro de un periodo de 30 segundos. Los sistemas que utilizan técnicas de modulación digital pueden operar en las bandas de 902 a 928 MHz, de 2 400 a 2 483,5 MHz, y de 5 725 a 5 850 MHz. El ancho de banda mínimo a 6 dB debe ser de por lo menos 500 kHz.


Para los sistemas de salto de frecuencia en la banda de 2 400 a 2 483,5 MHz que empleen al menos 75 canales de salto, y para todos los sistemas de salto de frecuencia en la banda 5 725 a 5 850 MHz: 1 Vatio. Para los demás sistemas de salto de frecuencia en la banda 2 400 a 2 483,5 MHz: 0.125 Vatios. Para sistemas que utilicen modulación digital en las bandas de 902 a 928 MHz, de 2 400 a 2 483,5 MHz, y de 5 725 a 5 850 MHz: 1 Vatio. Si se emplean antenas de transmisión de ganancia direccional mayor a 6 dBi, la potencia pico de salida de un transmisor debe ser reducida por debajo de los valores establecidos en los numerales B1, B2 y B3 de este artículo, como sea apropiado, por la cantidad en dB que la ganancia direccional de la antena exceda los 6 dBi.

En el Artículo 7 se presentan restricciones para el resto de bandas de frecuencias del orden de

5GHz asignadas por el Ministerio, como se mostró anteriormente. A continuación, se presentan

restricciones impuestas a estas bandas (se toman algunas restricciones significativas y son

tomadas textualmente del contenido de la Resolución mencionada):

Para la banda de 5 150 a 5 250 MHz, la potencia de transmisión pico sobre la banda de frecuencia de operación no debe exceder el menor valor entre 50 mW ó 4 dBm + 10 logB, donde B es el ancho de banda de emisión en MHz a 26 dB. Además, la densidad espectral de potencia pico no debe exceder 4 dBm en cualquier banda de 1 MHz. Si son utilizadas antenas de transmisión de ganancia direccional mayor a 6 dBi, la potencia de transmisión pico y la densidad espectral de potencia pico deberán ser reducidas en la cantidad de dB que la ganancia direccional de la antena exceda los 6 dBi. Para las bandas de 5 250 a 5 350 MHz y de 5 470 a 5 725 MHz, la potencia de transmisión pico sobre la banda de frecuencia de operación no debe exceder el menor valor entre 250 mW ó 11 dBm + 10 logB, donde B es el ancho de banda de emisión en MHz a 26 dB. Además, la densidad espectral de potencia pico no debe exceder 11 dBm en cualquier banda de 1 MHz. Si son utilizadas antenas de transmisión de ganancia direccional mayor a 6 dBi, la potencia de transmisión pico y la densidad espectral de potencia pico deberán ser reducidas en la cantidad de dB que la ganancia direccional de la antena exceda los 6 dBi. Para la banda de 5 725 a 5 825 MHz, la potencia de transmisión pico sobre la banda de frecuencia de operación no debe exceder el menor valor entre 1 W ó 17 dBm + 10 log. B, donde B es el ancho de banda de emisión en MHz a 26 dB. Además, la densidad espectral de potencia pico no debe exceder 17 dBm en cualquier banda de 1 MHz. Si son utilizadas antenas de transmisión de ganancia direccional mayor a 6 dBi, la potencia de transmisión pico y la densidad espectral de potencia pico deberán ser reducidas en la cantidad de dB que la ganancia direccional de la antena exceda los 6 dBi. Sin embargo, los dispositivos U-NII en operación fija punto-a-punto en esta banda pueden emplear antenas de transmisión con ganancia direccional hasta de 23 dBi sin la correspondiente reducción de la potencia de salida pico del transmisor, ni en la densidad espectral de potencia pico.


5.2 Modelos de propagación y capacidad Wi-Fi

Los modelos de propagación y de capacidad permiten hacer un análisis del desempeño de una

red, en particular los modelos de propagación permiten calcular las pérdidas de información en el

trayecto y de esta manera poder calcular la distancia máxima que puede existir entre el transmisor

y el receptor garantizando la mínima sensitividad permitida por el receptor para la recuperación

de la información. Por otro lado, la capacidad permite conocer el mínimo número de usuarios que

pueden descargar y cargar información en la red. Es importante tener en cuenta que el análisis de

cobertura y capacidad no se pueden considerar de manera separada ya que para la cobertura para

el Access Point es mayor para capacidades bajas en comparación a las de altas capacidades.

5.2.1 Modelos de Propagación Wi-Fi

Para el diseño de una red AMI para medición de energía eléctrica es necesario evaluar una serie de

parámetros como la cobertura de celda, para asegurar su correcta operación. Éste análisis permite

conocer las pérdidas que se generan en el trayecto y la probabilidad de que la potencia recibida

supere la sensitividad o potencia mínima de recepción, es decir este análisis permite conocer hasta

que distancia y en qué área se puede garantizar una buena cobertura de la red. En el caso de

estudio del proyecto, se tiene una red AMI, cuya red de área local, la que comunica los medidores

con los concentradores, es WiFi 802.11n y la red de área amplia, la que comunica los

concentradores con la estación base, es WiMAX.

El modelo de propagación de WiFi debe ser un modelo para exteriores. Además, el protocolo

seleccionado es el IEEE 802.11n ya que tiene mejores características en comparación a los demás

protocolos de 802.11.

El protocolo 802.11n puede operar en canales de 20MHz o unir dos de estos canales para formar

uno de 40MHz, la ventaja principal de esta unión es que permite transmitir a una velocidad más

alta, por otro lado trabajar en un canal de 20MHz genera una mayor disponibilidad de canales.

Para el diseño de la red de área local para la aplicación de una red de medición inteligente se

utilizarán los canales de 40MHz para garantizar un intercambio de datos a mayor velocidad dada la

aplicación de respuesta de la demanda RTP.

Por otro lado, según la reglamentación colombiana los medidores de energía eléctrica deben

ubicarse al exterior de las residencias, por esto en las zonas con alta concentración de edificios se

debe tener en cuenta que se genera una atenuación por los muros exteriores del edificio, por esto

es necesario aplicar un modelo de propagación indoor-outdoor para contemplar esta atenuación.

Por otro lado, para zonas residenciales se tiene un comportamiento característico de un sector sub

urbano,


Modelo de pérdidas de trayecto modelo de propagación log normal

Este modelo se aplica a las zonas de alta concentración de casas y que no incluyen edificios.

Inicialmente, se calculan las pérdidas promedio de trayecto a partir de la siguiente relación para

Donde n es el exponente de atenuación, d es la distancia de separación entre el receptor y el

transmisor (m), son las pérdidas del trayecto en espacio libre y la frecuencia de operación,

en este caso 5GHz. Adicionalmente, se debe considerar que la distancia entre el receptor y el

transmisor tiene variaciones debido a los objetos que se encuentren en el entorno, esto se puede

modelar mediante un proceso de sombreado con una variable aleatoria con distribución log

normal a partir de un número de medidas.

Las pérdidas en el trayecto en espacio libre se representan por la siguiente relación:

Para modelar las variaciones que se pueden tener en el espacio de operación anteriormente

mencionado, se utiliza el siguiente modelo para la el exponente de atenuación:

Donde a,b y c son constantes que dependen del terreno y es la altura de la antena. Teniendo en

cuenta que en la zona seleccionada no es un sector montañoso y posee una baja densidad de

árboles los valores típicos de estas constantes están dados en la siguiente tabla:

Tabla 4. Parámetros según características del terreno.

Parámetro Montañoso y mediana/alta

densidad de árboles

Montañoso y baja densidad de árboles

Plano y baja densidad de árboles

a(m) 4,6 4 3,6

b 0,0075 0,0065 0,005

c (m) 12,6 17,1 20

0,57 0,75 0,59

10,6 9,6 8,2

2,3 3 1,6

Las ecuaciones anteriores se pueden resumir en la siguiente ecuación:


Donde es la desviación estándar de la variable aleatoria Gaussiana y es una distribución

Gaussina con media 0:

A partir de esto, se obtuvieron las siguientes pérdidas de trayecto:

Figura 21. Pérdidas de trayectoria modelo de propagación log normal.

Modelo de pérdidas de trayecto modelo de propagación de interiores a exteriores

El modelo aplicado para los sectores de la zona en los que se encuentran edificios residenciales es

el ITU-R 1225, inicialmente se calculan las pérdidas del trayecto considerando la siguiente

ecuación:

Donde d es la distancia entre el transmisor y el receptor, es la frecuencia de operación y

es la atenuación generada por los elementos interiores. Debido a que la frecuencia de

operación en 5GHz, se va a presentar una atenuación mayor por los obstáculos entre el transmisor

y el receptor; en el caso particular de los edificios se debe tener en cuenta la atenuación generada

por los muros externos de la edificación, según mediciones experimentales se sabe que la

atenuación es de aproximadamente 40dB. Al realizar este cálculo para distintas distancias se

obtuvo el siguiente resultado:

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20060

70

80

90

100

110

120

130

Distancia (m)

Ate

nuació

n (

dB

)


Figura 22. Pérdidas de trayectoria modelo de propagación indoor-outdoor.

Área de cubrimiento de celda

Finalmente, teniendo en cuenta los modelos de propagación descritos previamente, se realizó el

cálculo del cubrimiento de celda para cada uno. Para esto se consideró la probabilidad de que la

potencia recibida sea mayor a la sensitividad, o mínima potencia admitida para la recuperación

del mensaje.

2

)(1

2

1)(

dP

rrerfdPP

Esta probabilidad se puede expresar en términos del radio de la celda R, y de la distancia desde

el centro de la celda r:

R

rbaerfdPP r ln1

2

1)(

Donde:

enb

RPra

10log10

2

)(

Como se puede observar en la ecuación anterior, la potencia de recepción en el borde de la celda

depende de la potencia de transmisión y la ganancia de antena, para esto se tomó como base la

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200220

230

240

250

260

270

280

Distancia (m)

Ate

nuació

n (

dB

)


antena WiFi Back Fire Antenna, esta posee una ganancia de antena de 17dBi e impedancia de

50Ω.

Además, para el cálculo de cobertura de celda es necesario conocer la sensibilidad mínima del

protocolo y los tipos de modulación que acepta, a continuación se presenta una tabla con los

parámetros del protocolo IEEE 802.11n:

Tabla 5. Parámetros protocolo IEEE802.11b.

En la Tabla 5 se pueden observar las modulaciones y sensitividad para el protocolo IEEE 802.11n

con un espaciamiento del canal de 20MHz y 40MHz. Por esto, el cálculo se realizó para los dos

espaciamientos para evaluar el desempeño de cada uno. Inicialmente, se presentarán los

resultados obtenidos para el modelo de propagación log normal y posteriormente el de indoor-

outdoor.

Figura 23. Cobertura del modelo de propagación log normal para un canal de 20MHz.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Distancia (m)

Pro

babili

dad

BPSK

QPSK1/2

QPSK3/4

16-QAM1/2

16-QAM3/4

64-QAM2/3

64-QAM3/4

64-QAM5/6


Figura 24.Cobertura del modelo de propagación log normal para un canal de 40MHz.

Como se puede observar en las figuras anteriores, a medida que la distancia entre el transmisor y

el receptor aumenta, la probabilidad de que la potencia de la señal recibida sea mayor a la

sensibilidad mínima disminuye. Adicionalmente, se puede observar que si se divide la banda de

frecuencia en canales de 20MHz la distancia de cobertura aumenta para probabilidades bajas (0%-

40%), sin embargo, debido a que se debe garantizar la confiabilidad del sistema la cobertura se

debe garantizar con una probabilidad entre el 90% y 100%, así se puede ver que en probabilidades

altas el comportamiento de los canales de 20MHz y los de 40MHz es similar luego es mejor utilizar

canales de 40MHz para aumentar la tasa de transmisión de datos.

Realizando el mismo procedimiento anterior para el modelo de propagación indoor to outdoor se

obtuvieron los siguientes resultados:

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Distancia (m)

Pro

babili

dad

BPSK

QPSK1/2

QPSK3/4

16-QAM1/2

16-QAM3/4

64-QAM2/3

64-QAM3/4

64-QAM5/6


Figura 25. Cobertura del modelo de propagación indoor to outdoor para un canal de 20MHz.

Figura 26. Cobertura del modelo de propagación indoor to outdoor para un canal de 40MHz.

En las figuras anteriores se observa el mismo comportamiento para canales de 20MHz y de 40MHz

al del modelo evaluado previamente al comparar estos dos tamaños de separación del ancho de

banda. Además, al comparar los dos modelos de propagación se puede observar que la atenuación

generada por el muro de los edificios disminuye la cobertura en casi 40 metros en comparación al

modelo de exteriores log normal dentro de las probabilidades admisibles para tener una cobertura

de la red confiable.

5.2.2 Modelos de Capacidad Wi-Fi:

Teniendo en cuenta que cada tecnología comprende diferentes alcances y varía sus características

de acuerdo con las condiciones del entorno de operación, es necesario considerar el número de

usuarios soportados, tanto en el espacio de la red de área local, como en el de la red de área

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Distancia (m)

Pro

babili

dad

BPSK

QPSK1/2

QPSK3/4

16-QAM1/2

16-QAM3/4

64-QAM2/3

64-QAM3/4

64-QAM5/6

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Distancia (m)

Pro

babili

dad

BPSK

QPSK1/2

QPSK3/4

16-QAM1/2

16-QAM3/4

64-QAM2/3

64-QAM3/4

64-QAM5/6


amplia. Por esta razón, se realiza el cálculo de capacidad con lo cual, junto con el alcance de

propagación de cada celda, se podrá corroborar la disposición de APs en la zona.

Para el caso de la tecnología Wi-fi, protocolo 802.11n, el modelo de capacidad se encuentra

directamente relacionado tanto con la cantidad de usuarios, como es evidente, así como con la

modulación que se esté usando. Inicialmente, se presenta el modelo más básico sobre el cual se

estima la capacidad del sistema. Este modelo corresponde a la conexión de un usuario, en este

caso un STA o medidor inteligente, con un AP; de esta forma no se considera ninguna pérdida

debido a imperfecciones del canal o a “colisiones” con la entrada de datos por parte de otra STA.

El esquema de acceso básico que representa la estructura del bloque enviado por un STA se

muestra en la Figura 27. De igual forma existe un modelo basado en RTS/CTS (RequestToSend,

Clear ToSend) el cual se presenta en la Figura 28.

Figura 27. Esquema de acceso básico.

Figura 28. Esquema de acceso RTS/CTS.

La capa MAC comprende dos medios de acceso: Contention-based DCF

(DistributedCoordinationFunction) y en PCF (Point CoordinationProtocol). Así, los parámetros que


determinan los tiempos representados en las figuras anteriores comprenden la base para el

desarrollo del cálculo. Teniendo en cuenta las características relevantes del protocolo IEEE 802.11

a, el cual opera a una frecuencia de 5GHz, se realiza un cálculo de la máxima tasa de transferencia

throughput que se puede presentar para este caso. La Tabla 6 contiene los valores

correspondientes al protocolo mencionado, que es útil para el caso de evaluación pues opera a

igualmente a 5GHz.

Tabla 6. Parámetros relevantes de IEEE 802.11 a/g.

De esta forma, se calculan los tiempos totales de cada uno de los esquemas de acceso planteados

previamente teniendo en cuenta las características establecidas en la tabla anterior. De esta forma

los tiempos totales se calculan como se muestra a continuación:

Para el caso correspondiente, se estiman las siguientes ecuaciones.


Donde ceil, corresponde a una función que aproxima al entero más cercano en dirección

ascendente. Una vez obtenidos estos parámetros se calcula la tasa de transferencia Throughput de

saturación según las relaciones mostradas a continuación:

Así, se obtiene un valor máximo como se muestra en la gráfica:

Figura 29. Tasa de transmisión de saturación.

En este caso, el máximo se encuentra en 4061 bytes y corresponde a una tasa de transferencia de

41,7 Mbps. De igual forma se puede afirmar que al considerar un frame de menos longitud el

resultado se ve afectado reduciendo en gran medida su tasa de transferencia.

Posteriormente, se considera la existencia de más STAs, teniendo en cuenta que no sólo existe un

usuario, sino que la tasa de transferencia debe dividirse de acuerdo a la demanda presentada.

Igualmente, existen pérdidas en el envío de paquetes debido a las “colisiones” en el receptor. Así,

se establece una tasa de transferencia asociada al número de usuarios activos como se muestra en

la Figura 30.


Figura 30. "Throughput" vs No. usuarios.

Esta relación se puede apreciar de manera numérica en la Tabla 7.

Tabla 7. Valores "Throughput" vs No. usuarios.

De esta forma, se puede ver como disminuye de forma progresiva el throughput a medida que

aumentan los usuarios para un mismo AP. Finalmente podemos considerar el efecto de las

modulaciones en la tasa de transferencia. La Tabla 8 muestra el comportamiento respectivo para

el caso de estudio evaluado.


Tabla 8. Data rate vs Modulation.

5.3 Protocolo DLMS/COSEM: El lenguaje DLMS (Device Language Message Specifications) fue creado en 1997 por un grupo de

fabricantes y empresas con el fin de crear un estándar abierto para el intercambio de datos de

mediciones, cuenta con más de 180 miembros entre los que se destacan: ESMIG, M-Bus, Selma,

DVGW, PPCEM, ZigBee Alliance, entre otros. DLMS opera junto al IEC TC13, Comisión

electrotécnica internacional en especial el comité técnico 13, para la estandarización de la

medición de energía eléctrica para control de tarifas y carga utilizando el estándar IEC 62056.

IEC 62056-42: Hace referencia a la capa física incluyendo los servicios y protocolos para la

conexión asíncrona para el intercambio de datos.

IEC 62056-46: Hace referencia a la capa de enlace de datos con el protocolo HDLC (High

Level Data Link Control), éste es un protocolo de comunicaciones de propósito general

punto a punto y multipunto que proporciona recuperación de errores en caso de pérdida

de paquetes de datos y fallos de secuencia, ofreciendo una comunicación confiable entre

el transmisor y el receptor.

IEC 62056-47: Hace referencia a la capa de transporte COSEM para redes IPv4, esta es la

versión 4 del protocolo de internet, que usa direcciones de 32 bits limitando el número de

direcciones únicas a 4.294.967.296, la mayoría dedicadas a redes locales LAN.

IEC 62056-53: Hace referencia a la capa de aplicación COSEM.

IEC 62056-61: Hace referencia al sistema de identificación de objetos OBIS.

IEC 62056-62: Hace referencia a la clase de interfaz.

Por otro lado, COSEM, Companion Specificaction for Energy Metering es un modelo de objetos

para aplicaciones de medición, hace referencia al modelo de datos por medio de un estándar de

interfaz de objetos que define los métodos y atributos de cada objeto. El modelo de datos COSEM

maneja el paradigma cliente servidor en el que el medidor inteligente es el servidor y el centro de

control de la empresa de energía es el cliente.


El servidor de COSEM, se modela como un conjunto de dispositivos lógicos que representan un

único dispositivo físico, el medidor inteligente, a su vez cada uno de estos dispositivos lógicos está

compuesto por una interfaz de objetos COSEM que modelan las distintas funcionalidades del

medidor físico por medio de atributos: tipo de datos, rango, unidades, entre otros y métodos. En

la Figura 31 se presenta un esquema del modelo de objetos COSEM.

Figura 31. Modelo de objetos COSEM.

A continuación, se presenta un ejemplo del modelo de objetos COSEM en el que se está midiendo

la energía total, el volumen total de consumo:

Figura 32. Estructura de objetos COSEM.

El modelo de objetos COSEM se basa en el sistema de identificación de objetos OBIS que se

describe a continuación.

5.3.1 Sistema de Identificación de Objetos

Según el estándar IEC 62056-61, el sistema de identificación de objetos OBIS es usado en equipos

de medición, éste tiene una estructura de jerarquía dividida en seis grupos que se presentan a

continuación:

A: Este valor define el tipo de energía relacionada con el medidor, dentro de las opciones

está objetos relacionados con electricidad, enfriamiento, calentamiento, gas, agua fría y

agua caliente.


B: Define el número del canal, es decir la entrada del medidor donde se está midiendo

una variable específica.

C: Especifica el valor físico que se está midiendo, por ejemplo voltaje, corriente, potencia

activa, potencia reactiva en los cuatro cuadrantes, entre otros.

D: Define los resultados del procesamiento de cantidades físicas como integración en el

tiempo de la potencia para obtención de la energía y códigos específicos de países.

E: Define otra clasificación de la variable que se está midiendo, entre estas se puede

encontrar el cálculo de las pérdidas activas y reactivas de las líneas, transformadores,

entre otros.

F: Define los datos almacenados.

Existen rangos dentro de los valores de los grupos B, C, D, E y F disponibles para propósitos

específicos de los fabricantes:

Grupo B: 128 a 199.

Grupo C: 128 a 199 y 240.

Grupo D: 128 a 254.

Grupo E: 128 a 254.

Grupo F: 128 a 254.

El sistema de identificación de objetos OBIS se especifica en el atributo Logical_Name dentro de

las clases de interfaz COSEM.

5.3.2 DLMS/COSEM Clase Interfaz

La clase de interfaz COSEM, según el estándar IEC 62056-62, posee una serie de clases de interfaz

que permiten modelar las mediciones y las relaciones entre estas. Todas las clases poseen una

serie de métodos y atributos, uno de los atributos más importantes es el logical_name ya que

éste, por medio del sistema de identificación de objetos OBIS, permite especificar la naturaleza del

valor que se está midiendo. Dentro de las clases de interfaz se encuentra entre otros los siguientes

elementos:

Almacenamiento de Datos:

Clase de Dato: id_1.

Clase de Registro: id_3.

Registro Extendido: id_4.

Registro de Demanda: id_5.

Activación de registro: id_6.

Perfil genérico: id_7.

Tabla de registros: id_61.

Mapeo de estatus: id_63.


En particular para el modelo de objetos COSEM se utiliza la clase registro, la clase de registro

extendido y la clase de registro de demanda para el almacenamiento de datos:

La clase registro almacena el valor de un proceso o de un estado con su unidad asociada, la

naturaleza del valor que se quiere almacenar se define en el logical_name por medio del sistema

de identificación de objetos OBIS. A continuación, se presenta el modelo de registro para el

medidor inteligente:

Figura 33. Modelo clase Registro.

Figura 34. Atributos y métodos para la clase registro.

El registro extendido tiene las mismas funciones del registro id_3, la diferencia radica en que éste

permite además el tiempo de captura de los datos.

Figura 35. Atributos y métodos para la clase registro extendido.

Finalmente, la clase registro de demanda id: 5, permite medir y operar el valor presente promedio

de forma periódica, por eso se debe incluir el periodo y el número de periodos sobre el cual se

quiere realizar la medición al modelar este registro. Este registro almacena dos valores de

demanda, el valor actual promedio y el último valor promedio registrado.


Figura 36. Atributos y métodos para la clase registro de demanda.

A continuación, se presenta un ejemplo de la configuración de los atributos en una interfaz de

registro para la medición de energía activa:

De acuerdo a la IEC 62056-61 el atributo logical_name para medición de la energía activa

consumida es el siguiente, teniendo en cuenta el OBIS.

Tabla 9. Logical_Name para medición de energía consumida, con la clase registro.

El valor de A es 1 para especificar que se trata de energía eléctrica, B depende de la entrada del

medidor donde se esté realizando esa medición, C es 1 para especificar que se la variable física

medida es la potencia activa total consumida, es decir la potencia activa positiva, D es 8 para

especificar que el procesamiento consiste en integrar en el tiempo la señal de potencia para

obtener la señal de energía. El valor de E es 0 para indicar que se miden rangos totales de tarifas

ya que el objeto relacionado es la energía, y finalmente F es 255 para indicar que no se está

utilizando. Esta es una de las opciones para modelar el medidor inteligente de acuerdo a la

interfaz de objetos COSEM.

Por otro lado, la configuración de los atributos en una interfaz de registro de demanda para la

medición del valor actual promedio y último valor promedio de la potencia activa es la siguiente:

A B C D E F

1 x 1 8 0 255

Logical_name


Tabla 10. Modelo del medidor inteligente con la clase de registro de demanda.

A continuación, se realiza una descripción de los atributos de la clase de registro de demanda:

1. Logical_name: este atributo identifica al registro de demanda en el sistema de

identificación de objetos OBIS. De acuerdo al estándar IEC 62056-61, la estructura general del

OBIS tiene 6 valores que se deben definir de acuerdo a la medición y aplicación que se desee

implementar. A continuación, se presenta el esquema OBIS para el registro de demanda para la

aplicación de DR:

Tabla 11. Logical_Name para medición del valor actual promedio.

Tabla 12. Logical_Name para medición del último valor promedio.

La primera tabla corresponde al nombre lógico que identifica el registro de demanda que

almacena el valor actual promedio de la medición y la segunda corresponde al que almacena el

valor final promedio del consumo. El valor de A es 1 para especificar que se trata de energía

eléctrica, B depende de la entrada del medidor donde se esté realizando esa medición, C es 1 para

especificar que se la variable física medida es la potencia activa total consumida, es decir la

potencia activa positiva, D en el primer caso es 4 para especificar que el resultado del

procesamiento realizado es el valor actual promedio y en el segundo caso es 5 para especificar que

el procesamiento da como resultado el ultimo valor promedio. El valor de E es 0 para indicar que

Demand Register 0…n version=0

Atributos Tipo de datos

1.Logical_name Estático Octet_string

2.Current_average_value Dinámico

3.Last_average_value Dinámico

4.Scaler_unit Estático Scal_unit_type

5.Status Dinámico

6.Capture_time Dinámico Octet_string

7.Start_time_current Dinámico Octet_string

8.Period Estático Double_long_unsigned

9.Number_of_periods Estático long_unsigned

Métodos específicos m/o

1.Reset (data) o

2.next_period (data) o

class_id=5

A B C D E F

1 x 1 4 0 255

Logical_name

A B C D E F

1 x 1 5 0 255

Logical_name


se miden rangos totales de tarifas ya que el objeto relacionado es la energía, y finalmente F es 255

para indicar que no se está utilizando ya que la operación realizada calcula un valor promedio del

consumo actual y último y por esto no es necesario el almacenamiento de información pasada en

el medidor.

2. Current_average_value: Es el valor actual promediado en un periodo de la potencia activa,

el tipo de datos se puede definir ya que es de tipo CHOISE, en este caso particular se

seleccionó de tipo double-longunsigned.

3. Last_average_value: Es el último valor promedio registrado de la potencia activa positiva,

es decir la consumida, el tipo de datos se puede definir ya que es de tipo CHOISE, en este

caso particular se seleccionó de tipo double-longunsigned.

4. Scaler_unit: Indica la escala y la unidad del parámetro físico medido, al fijar la unidad con

el código (3,30) se indica que las unidades de la variable medida son Wh y la escala esta en

KWh.

Tabla 13. Escala y unidad.

5. Status: Indica el estado de la información, depende del fabricante.

6. Capture_time: Indica el tiempo en el que se registró el ultimo valor promedio.

7. Start_time_current: Indica el tiempo en el que el valor actual promedio se inició.

8. Period: Ya que el sistema de recolección de datos es de 15 minutos, 900 segundos, el

periodo se fija en esta cantidad para garantizar que en el momento en el que se vaya a

enviar la información se tenga un perfil de consumo para ese tiempo.

9. Number_of_periods: La cantidad de periodos, se utiliza para calcular el último valor

promedio.

Como se pudo observar en los dos ejemplos previamente presentados cada dispositivo lógico está

representado por un nombre lógico que indica una de las funcionalidades del medidor, en este

caso distintas variables medidas a las que se les realiza un proceso diferente para obtener más

información de las mediciones.

5.3.3 DLMS/COSEM Capa de Transporte

Según el modelo OSI de comunicaciones, el protocolo DLMS/COSEM está conformado por las

capas que se presentan en la Figura 37:

Escala Unidad

3 (30) Wh KWh


Figura 37. Capas Modelo OSI Protocolo DLMS/COSEM.

Como se puede observar en la figura anterior, la capa de transporte COSEM está compuesta por

una subcapa Wrapper y la capa TCP UDP de transporte. La capa Wrapper se encarga de mapear

servicios OSI a funciones de llamada TCP, informar sobre la longitud en bytes de la información

trasportada para indicar al transmisor si es necesario dividir los datos en paquetes TCP y cuando

un APDU completo se recibió, adicionalmente, la subcapa Wrapper se encarga de asociar cada

proceso realizado por el medidor inteligente a un puerto.

El protocolo Wrapper para la estructura de datos WPDU para la capa de transporte se presenta a

continuación:

Figura 38. Estructura de datos capa transporte.

Como se puede observar en la figura anterior, los datos poseen un encabezado de 8 bytes con

información de control de la subcapa Wrapper, este encabezado está compuesto por:

Versión: versión del Wrapper, este valor está controlado por la asociación de usuario

DLMS.

SourcewPort: contiene el número del puerto que identifica al proceso de aplicación de

envío.

DestinationwPort: contiene el número del puerto que identifica al proceso de aplicación

de destino.

Length: indica la longitud de la información transportada, APDU.


Además de los encabezados de la subcapa Wrapper, en la capa de transporte se adhieren

encabezados de UDP de 8 bytes y 20 bytes de IP, teniendo en cuenta todos los encabezados la

longitud del paquete de datos se calcula así:

Tabla 14. Tamaño del paquete de datos.

La capa de aplicación COSEM puede ser considerada como algún otro estándar de aplicación de

internet como HTTP, FTP, entre otros. A continuación se describe la capa de aplicación:

5.3.4 DLMS/COSEM Capa de Aplicación

El principal objetivo de la capa de aplicación COSEM se enfoca en la interacción de procesos de

aplicación en la relación cliente-servidor y así mismo, en las capas inferiores. Este procedimiento

es realizado por un componente denominado COSEM ASO (ApplicationServiceObject), quien a su

vez comprende tres elementos constituyentes:

- Association Control ServiceElement (ACSE), quien cumple la función de establecer,

mantener y liberar las asociaciones de aplicación correspondientes entre el cliente y el

servidor.

- Extended DLMS ApplicationServiceElement (xDLMS-ASE), que proporciona la plataforma de

servicio para la comunicación de datos. Es decir, genera e interpreta los mensajes para un

medidor inteligente y en general para un sistema de medición, utilizando como

referencias LogicalNames(LN) y Short Names (SN) para el intercambio de mensajes. Estas

referencias se definen en el momento en que se establece la asociación.

- Control Function (CF), quien establece la forma en la cual los dos elementos anteriores

deben operar, controlando los estados por los cuales deben pasar (Inactive, Idle,

AssociationPending, Associated, AssociationReleasePending).

La distribución del COSEM ASO se representa en la Figura 390. Así, todos los mensajes que se

generan en la capa de aplicación COSEM se condensan en paquetes denominados APDUs,

“unidades de datos de protocolo de aplicación”, con el fin de ser enviadas posteriormente de

acuerdo a un perfil de comunicación. Estos paquetes de información definen el formato para el

intercambio de mensajes entre el cliente y el servidor con un tamaño en bytes específico.

En el caso de evaluación correspondiente, la información que será enviada en estas unidades de

datos corresponde únicamente a una variable: consumo energético [MW/h], la cual será indicada

por el medidor inteligente directamente del establecimiento de consumo.

Tamaño (Bytes)

Capa de aplicación COSEM A

Wrapper WPDU 8

UDP 8

IP 20

Enlace de datos y capa física D

Total 36+A+D


Figura 39. Estructura COSEM ASO.

La estructura de las Application Protocol DataUnits (APDUs) se aprecia en la Figura 40.

Figura 40. Estructura APDU.

En el diagrama anterior, se aprecian las APDUs generadas en el elemento ACSE Figura 40 (a): AARQ

(Application Association Request), la AARE (Application Association Response), la RLRQ (Release

Request) y la RLRE (Release Response). Por otro lado en la Figura 40 (b), se presentan las unidades

de datos generadas en el elemento xDLMS-ASE: GET, SET, ACTION, acciones requeridas

especialmente para la comunicación de datos, cada uno de estos atributos es llamado mediante

estructuras tipo Logical Name.

Como se mencionó anteriormente, en dado caso en que la información que será transferida desde

el servidor al cliente no pueda ser empaquetada en un solo APDU, la subcapa Wraper será la

indicada de informar en cuantos bloques será enviado dicho mensaje y el peso en bytes de cada


uno. El proceso ocurrido en la capa de aplicación sigue un protocolo establecido para estos casos,

en el cual se realiza un intercambio de mensajes de aviso que informan el estado de la transmisión

de datos y su división.

En primer lugar el AP se envía una señal request normal, pidiendo la transmisión del APDU, puesto

que la información correspondiente no pudo ser empaquetada en una sola unidad debido a su

longitud, el servidor, o medidor inteligente en el caso de estudio, envía un primer bloque de

información indicando que es el primero de una lista de paquetes. El elemento receptor una vez

obtiene esta primera entrega, comprende que la información no ha llegado en su totalidad, para lo

cual envía una nueva señal request pidiendo el bloque siguiente, la respuesta por parte del

servidor será su correspondiente envío.

Finalmente cuando la totalidad de los APDUs correspondientes a la información requerida ha sido

enviada, la variable booleana Complete, establecida en False durante el proceso, cambia su estado

indicando que la transmisión se realizó de manera correcta y evitando una nueva petición request

por parte del AP o cliente. El proceso descrito se aprecia en la Figura 41.

Figura 41. Envío de APDU con fragmentación.


5.4 Cálculo de la tasa de Datos: Siguiendo el procedimiento planteado en [6] se calcula la tasa de datos “Data Rate” considerando

la relación

Donde representa la tasa de paquetes constante [paq/seg], que en el caso de evaluación

corresponde a 20 (1/50ms), y por otro lado, es el tamaño del paquete fijo, el cual para el

protocolo 802.11 se establece como 12 bytes.

De esta forma se determina la longitud del paquete según se establece en el protocolo TCP/IP,

Figura 42.

Figura 42. Longitud del paquede según protocolo TCP/IP.

Donde el tamaño del APDU, alcanza los A= 540. Finalmente, el parámetro D o header de Ethernet

equivale a 38 bytes. De esta forma, el cálculo final de tasa de datos corresponde a

5.5 Oferta de Access Point y Antenas Wi-Fi en el mercado

5.5.1 Access Point

Cisco

A continuación, se presentan diferentes productos que ofrece la empresa Cisco en Access Point:

Cisco AP541N Wireless Access Point.


Figura 43. AP541N Access Point

Descripción:

El componente es un punto de acceso 802.11n de agrupación y doble banda (2.4/5) GHz. Permite

el trabajo simultaneo con varios Access Point sin presentar interferencia entre ellos. Permite

configurar y administrar varios puntos de acceso sin necesidad de instalar un controlador de

servicios inalámbricos. Ofrece la posibilidad de escoger la banda de 2.4 o la de 5 GHz para la

operación. Entre algunas de sus especificaciones técnicas se presentan las siguientes:

Tabla 15.Especificaciones del AP541N Access Point.

Aironet 3600 Series Access Point


Figura 44. Aironet 3600 Series Access Point

Descripción:

El Access Point Aironet 3600 permite trabajar con el estándar 802.11n con la tecnología 4X4 MIMO

que permite tazas de 450 Mbps en un rango mayor con mejor capacidad y confiabilidad que otros

Access Points del mercado. Implementa el Cisco ClientLink 2.0 que mejora el Downlink y con

mejoras para evitar interferencia. Este Access Point permite escalar el trabajo a una red hasta de

18000 AcessPoints.

A continuación, se muestran algunas especificaciones del equipo:

Tabla 16.Especificaciones del Access Point Aironet 3600.

D-Link

A continuación, se muestran algunos Access Point de la marca D-Link, con su descripción y

especificaciones:


DWL-6600AP

Figura 45.DWL-6600

El DWL-6600 ofrece un throughput hasta de 300Mbps disponibles en la banda de 2.4 GHZ y de

5GHz. Usa los estándares de seguridad de internet WEP, WAP, WAP2 y 802.11X. Cada unidad

soporta hasta 32 puntos de acceso virtuales. Para evitar interferencia con otros puntos de acceso,

el dispositivo reduce la potencia de transmisión de datos para poder mantener la red estable. Los

Acces Point están en capacidad de repartirse el tráfico entre si para que ninguno de estos se

sature. A continuación se presentan algunas de sus especificaciones:

Tabla 17.Especificaciones técnicas del DWL-6600.


DAP 3520

Figura 46.DAP 3520.

El DAP 3520 cuenta con un throughput hasta de 300 Mbps con dualidad de bandas (2,4 y 5 GHz)

que sigue el estándar 802.11n de comunicación inalámbrica de WiFi. Diseñado para soportar

trabajo en exteriores. Cuenta con la tecnología Power over Ethernet POE que permite la

instalación en zonas sin tomas de energía. Utiliza las técnicas WAP y WAP2 para la seguridad en la

red. A continuación, se muestran las especificaciones:

Tabla 18.Especificaciones técnicas DAP 3520.

Hewlett Packard

A continuación, se muestran diferentes opciones que presenta Hewlett Packard:


E-M110

Figura 47.E-M110.

El Access Point es capaz de realizar un ajuste automático de la potencia de transmisión para

reducir la interferencia entre los diferentes puntos de acceso aledaños. Utiliza las técnicas WEP,

WAP y WAP2 para garantizar la seguridad de la red.

Tabla 19.Especificaciones técnicas E-M110.


E-MSM313

Figura 48.E-MSM313.

El Access Point es capaz de realizar un ajuste automático de la potencia de transmisión para

reducir la interferencia entre los diferentes puntos de acceso aledaños. Utiliza las técnicas WEP,

WAP y WAP2 para garantizar la seguridad de la red.

Tabla 20.Especificaciones técnicas E-MSM313.

5.5.2 Antenas

A continuación, se presentan tablas de resumen con los parámetros físicos de 3 antenas

diferentes; la primera corresponde a una frecuencia de 5.2 GHz, la segunda de 5.4GHz y la tercera

de 5.8GHz. Cada una de las frecuencias mostradas presenta las características para 3 diferentes


prototipos de antena. Es preciso mencionar que la red WiFi requiere que las antenas sean

omnidireccionales.

Antena de 5.2GHz

Figura 49.Especificaciones técnicas de las antenas de 5.2 GHz.


Antena de 5.4 GHz

Figura 50. Especificaciones técnicas de las antenas de 5.4 GHz.


Antena de 5.8 GHz

Figura 51. Especificaciones técnicas de las antenas de 5.8 GHz.

6. Red de Área amplia IEEE 802.16 (WiMAX) WiMAX (Worlwide Interoperability for Microwave Access), es una tecnología inalámbrica de

características similares a la WiFi (IEEE 802.11) pero con la calidad de servicio de las redes

celulares. Es una tecnología basada en IP de banda ancha. WiMAX tiene un alcance a estaciones

fijas de hasta 50 km y entre 3 y 10 km para estaciones móviles, comparado con el rango entre 30 y

100m que ofrece la tecnología WiFi. Un esquema de la conexión WiMAX se presenta a

continuación:


Figura 52. Esquema de comunicación inalámbrica WiMAX[7].

En el caso de aplicación de la red WiMAX en el proyecto específicamente, la comunicación entre

las diferentes casas y apartamentos y la estación base se hará entre los diferentes Access Point

ubicados por zona y la estación base.

La tecnología WiMAX permite trabajar con las mismas tasas de transmisión que alcanza la

tecnología WiFi, pero mejora los problemas de interferencia. WiMAX opera en el rango de

frecuencias, licenciadas y no licenciadas. Con la implementación de WiMAX en las redes 4G y a

medida que se incrementa su proceso de masificación, la tecnología se convierte, cada vez más, en

una inversión rentable que va reduciendo sus costos de implementación.

6.1 WiMAX Fijo WiMAX fijo se proyecta como un sustituto de diferentes sistemas de la actualidad: ofrece el

sistema de voz sobre IP VoIP que puede sustituir compañías telefónicas, protocolo de televisión

por internet IPTV que sustituiría operadores de televisión por cable, funciona como respaldo en

puntos críticos de cobertura WiFi. Además ofrece un respaldo inalámbrico para el cableado de

fibra óptica.

WiMAX tiene la capacidad de ofrecer conectividad entre la estación base y la estación del

subscriptor así no se encuentre en la línea de vista. La estación del subscriptor se conoce como

CPE (Customer Premise Equipment) con cobertura de hasta 6 millas con configuración punto-

multipunto con una tasa aproximada de 40Mbps y puede atender una gran cantidad de usuarios

con el equivalente de una red DSL.

6.2 WiMAX Móvil. Las características de la red WiMAX móvil son similares a la red fija aunque permite ser utilizada

en aplicaciones de telefonía móvil en una escala de uso mucho mayor. Puede ofrecer altas tasas

de transferencia en vehículos desplazándose a una alta velocidad. Con esta característica y los

demás servicios ofrecidos, puede remplazar y mejorar los servicios por los operadores celulares

incluyendo el HSDPA.


6.3 Radios WiMAX Los radios WiMAX contienen un elemento transmisor y otro receptor. El equipo genera

oscilaciones eléctricas para generar una frecuencia portadora que para esta tecnología está entre

el valor de 2 y 11GHz. Un radio WiMAX puede ser entendido como un router WiFi.

Una manera muy sencilla de entender el concepto de la arquitectura se puede presentar con un

modelo de radios y antenas. Un esquema se presenta a continuación:

Figura 53. Esquema de radios y antenas WiMAX[8].

La ventaja de separar los radios de las antenas, es que se puede proteger el radio de condiciones

ambientales extremas que afectan el desempeño y la durabilidad del equipo. Tener la antena en

exteriores mejora el desempeño de la conexión inalámbrica entre transmisor y emisor,

especialmente en condiciones de vista directa. En la siguiente imagen se puede ver un radio

WiMAX debidamente encerrado en una zona protegida contra cambios ambientales:

Figura 54. Radio WiMAX[8].

Las cajas en las que se encierran los radios se fabrican en láminas de metal o en fibra de vidrio, se

debe tener en cuenta agregar una cerradura o candado por motivos de seguridad. En cuanto a

protección contra temperatura, se debe tener en cuenta que la mayoría de radios en el mercado

trabajan en un rango de -20 a 120 °F. Si se tiene una operación en condiciones de temperatura


fuera de este rango se deben tener consideraciones adicionales para garantizar la operación en el

rango establecido.

6.4 Antenas WiMAX Con respecto a antenas que se utilizan para la transmisión de las ondas WiMAX, es importante

conocer que hay tres tipos de antenas que se usan para transmitir la señal:

Antena Omnidireccional

Antenas de Sector

Antenas tipo Panel

A continuación, se muestran las diferentes antenas mencionadas anteriormente:

Figura 55. Tipos de antena transmisoras WiMAX[8].

6.4.1 Antenas Omnidireccionales

Este tipo de antenas son usadas para configuraciones punto-multipunto. La característica más

importante de este tipo de antenas es que la energía es difundida en todas las direcciones, dado

que cubre un rango de 360°. El problema con la radiación en todos los sentidos es que reduce el

rango de alcance y la fuerza de la señal. Este tipo de antenas son ideales cuando se concentra un

gran número de CPE en una zona pequeña.

6.4.2 Antenas de Sector

Este tipo ofrece un mayor throughput y un mayor rango con un uso menor de potencia de

transmisión. Una opción preferida al uso de antenas omnidireccionales, es ubicar antenas de

sector que cubran 360° dada la superioridad de desempeño de las antenas de sector sobre las

omnidireccionales.

6.4.3 Antenas tipo Panel

Las antenas tipo panel son platos planos de 1 ft2 que para ser alimentadas se usa principalmente

PoE (PowerOver Ethernet). Se vuelve bastante conveniente está alimentación en zonas donde por


lluvias se pueden presentar problemas con conexiones. La radiación WiMAX se da a lo largo de la

línea de vista de la antena.

6.5 Estaciones del Subscriptor El término técnico para referirse a los CPE es estación del subscriptor. Hoy en día, en el mercado

se tienen CPE para interiores y exteriores. A continuación, se muestran los tipos de CPE que se

tienen:

Figura 56. Ejemplos de CPE disponibles en el mercado [8].

6.5.1 CPE para exteriores

En términos generales, el CPE para exteriores ofrece un mejor desempeño que el diseñado para

interiores, dado que evita que la recepción se deteriore por los diferentes muros de ladrillo o

concreto, ventanales o acero de las estructuras en los muros. La recepción de un usuario se puede

mejorar ubicando un CPE para exteriores en la línea de vista de la estación base. Este dispositivo

tiene un costo más elevado que el de interiores dado que se diseña para soportar condiciones

climáticas exteriores.

6.5.2 CPE para interiores

La gran ventaja del CPE para interiores es que puede ser instalado por el usuario, no es necesario

que el proveedor desplace personal para la instalación. Además, el usuario puede adquirir el

producto en cualquier tienda electrónica y no se hace necesario el desplazamiento a una tienda

del proveedor. Es bastante conveniente para el usuario dado que puede conectarlo en el

momento que lo desee: los proveedores pueden tomarse hasta un mes para realizar las

conexiones de un CPE para exteriores.

6.6 Interferencia en WiMAX A continuación, se muestra un esquema sencillo para ver algunos tipos de interferencia de una

señal:


Figura 57. Interferencia en una señal (ajena al canal) [8].

La interferencia es una característica natural del espectro RF. Se tienen dos tipos de interferencia,

una asociada a la operación de frecuencias en bandas diferentes a la frecuencia del canal asignado

y otra interferencia dentro del mismo canal. Es vital evitar la interferencia dentro del mismo rango

de frecuencia, para lograr esto, se debe tener una etapa de planeación rigurosa. Utilizar bandas

dentro del espectro licenciado y usar procesos de selección dinámica de frecuencias ayudan a

reducir la interferencia en el canal. Planear las bandas a usar y la potencia de transmisión también

es fundamental para evitar interferencia. Para evitar interferencia de canales externos, se puede

utilizar tecnologías como OFDM y OFDMA que ayudan a mitigar este efecto; evaluar tecnologías

en las antenas también es de gran utilidad.

6.7 Tecnologías de Antenas e Interferencia.


6.7.1 AAS (Adaptive Antenna System)

Figura 58. Configuración de un sistema AAS [8].

Esta tecnología usa tecnologías generadoras de haces para ser dirigidos entre la estación base y el

usuario. Esta tecnología permite reducir la interferencia de otras señales dado que se logra

enfocar el haz de la estación base al equipo receptor. Con este proceso se logra aumentar el rango

de cobertura y al mismo tiempo el throughput.

6.8 Selección dinámica de frecuencia, MIMO y radios impuestos por

Software Una de las maneras más simples para evitar la interferencia en una frecuencia es cambiar la

frecuencia en la que se está trabajando. Este procedimiento es el que se realiza con la selección

dinámica de frecuencia (DFS). Un radio DFS se encarga de hacer una búsqueda de frecuencias

cercanas a la de operación que no se encuentren afectadas por interferencia y realiza el cambio de

frecuencia de operación.

6.8.1 MIMO (Multiple Input Multiple Output)

El principio de operación de esta tecnología es el mismo de DFS. AL haber múltiples transmisores y

receptores en la misma antena, transmisor y receptor pueden coordinar que frecuencia usar en

caso de presentarse interferencia en la frecuencia que se está usando en ese momento.

6.8.2 Radios Impuestos por Software (SDR)

Funcionan bajo el mismo principio de intercambio de frecuencias con interferencia a frecuencias

libres. Se diferencia de las dos metodologías anteriores en su forma de operación: Es una solución

software, presenta una alta flexibilidad para cambiar de frecuencias.

6.9 Calidad de Servicio (QoS)


Este factor, es el que evalúa si una tecnología inalámbrica está en capacidad de transmitir

exitosamente información de alta calidad como voz y videos. La pérdida de calidad de servicio se

ve asociada a fluctuaciones, latencia o pérdida de paquetes. WiMAX tiene la capacidad de reducir

la latencia a valores muy pequeños: algunos proveedores ofrecen productos en la que la latencia

es menor a los 10 milisegundos entre la estación base y el CPE y viceversa.

Figura 59. Latencia entre diferentes componentes de la red WiMAX[8].

A continuación, se muestra una tabla de priorización del tráfico de la red para asegurar una mejor

calidad de servicio en la misma:

Tabla 21. Priorización del tráfico de la red WiMAX para tener buen QoS[8].


6.10 Arquitectura WiMAX de QoS A continuación, se presenta un esquema de arquitectura WiMAX de QoS según el estándar 802.16:

Figura 60. Arquitectura QoS del estándar 802.16 [9].

La capa MAC de WiMAX es orientada por conexión, esto quiere decir que la aplicación del equipo

del usuario inicia el proceso de señalización (Connection Request, Connection Response) con la

estación base. La estación base asigna la conexión con una única dirección IP. Información de una

o varias aplicaciones se puede enviar a través de la misma conexión IP.

El clasificador de conexión en el equipo del usuario recibe los paquetes de la capa de aplicación

como valores de entrada, los clasifica según su dirección IP única (CID) y los envía a la respectiva

cola. En el equipo del usuario, la tarea del organizador es sacar los paquetes de las colas y

enviarlos a la red en los bloques de tiempo definidos por el UL-MAP enviado por la estación base.

El UL-MAP se determina a través del organizador de banda ancha de UL ubicado en la estación

base basándose en el BW-Request que hace el equipo del usuario que informa el tamaño de la cola

de cada conexión en el equipo. El UL-MAP contiene el número de bloques de tiempo en el que el

equipo del usuario puede transmitir en el UL.

A continuación, se presenta una tabla con algunas características adicionales de las 5 categorías

que utiliza WiMAX para organizar la prioridad y el tráfico de intercambio de datos:


Figura 61. Características adicionales de la división del tráfico en WiMAX

Para el proyecto en desarrollo, se tiene que un usuario WiMAX comprende una de las

agrupaciones de casas de los usuarios individuales. Los usuarios individuales son cada uno de los

hogares que tienen asociados un medidor inteligente que se comunica vía WiFi con el

concentrador de datos del sector, que para este caso será una unidad de memoria de un

computador. Es pertinente mencionar, que el computador debe poseer puertos y tarjetas WiFi y

WiMAX para tener la capacidad de almacenar la información del sector de medidores inteligentes

vía WiFi y para poder tener comunicación con la torre WiMAX que se encarga de recoger los datos

de cada sector y realizar el intercambio de información entre usuario y centro de control. Tanto la

red WiFi como la red WiMAX tienen capacidad de leer y escribir sobre la unidad de memoria, para

poder actualizar el comportamiento y la variación de los precios de la energía. Lo anterior se

puede lograr con un software que use el algoritmo de respuesta de la demanda.

6.11 Reglamentación WiMAX en Colombia En el campo de las telecomunicaciones, Colombia pertenece a la International Telecomunication

Union UIT, que determina la distribución del espectro de radio frecuencia como se presenta en el

Cuadro Nacional de Atribución de Bandas de Frecuencias [10]. En este diagrama se presenta la

totalidad de los servicios de radiocomunicaciones y su compatibilidad con las atribuciones de la

entidad internacional.

Así, la UIT clasifica los países en tres regiones dependiendo de la atribución de bandas de

frecuencia según el reglamento de Radio Comunicaciones. Colombia pertenece a la región 2, sin

embargo, existen algunas diferencias con respecto a estructura asociada a dicha clasificación; a

partir de los 40GHz hasta 1000GHz la atribución de bandas es idéntica al parámetro internacional.

La primera iniciativa desarrollada sobre la red de comunicación WiMAX en Colombia, tuvo lugar en

la ciudad de Bucaramanga, donde se estableció una red de alta cobertura que provee de internet

inalámbrico a 900.000 habitantes contando con 106 hotspots a lo largo de Bucaramanga, Florida y


Girón. Este proyecto se desarrolló en el año 2006 como un programa piloto que posteriormente

sería replicado en otras ciudades.

Para el uso de tecnología WiMAX en el país, se destinaron ciertas frecuencias del espectro radio

eléctrico sobre la cuales se habría de implementar el servicio. Sin embargo, debido a la baja

acogida que obtuvo esta alternativa desde su inclusión en el 2006, muchos de los espacios

asignados no fueron utilizados y por tanto, posteriormente re-asignados.

Un ejemplo de ello es la subasta realizada el pasado mes de Agosto del año 2011 donde las tres

compañías de telefonía inalámbrica ofertaron por 30 MHz sobre el rango de 1,9GHz, fragmento

que había sido destinado previamente para WiMAX. Finalmente se vendieron 25MHz con lo cual

las tres empresas de telefonía llegaron al tope del espectro permitido por el ministerio de

Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (MinTIC): 55MHz, la Figura 62 presenta la

cantidad de espectro asignado en MHz para cada una de las empresas de telefonía en las bandas

permitidas por el ministerio.

Figura 62. espectro asignado a empresas de telefonía [11].

Aun así, continuando con el estudio de en tecnología de red inalámbrica WiMAX, se cuenta con la

existencia de algunos proveedores de red inalámbrica en el país, que utilizan tanto tecnologías Wi-

fi como WiMAX para brindar el servicio de internet dedicado de banda ancha [11]:


Tabla 22. Proveedores de Internet banda ancha con tecnologías Wi-fi y WiMAX [11].

De acuerdo con la Tabla 22, la entidad UNE-EPM Telecomunicaciones, es quien tiene el mayor

dominio sobre la tecnología WiMAX contando con un total de 22.568 suscriptores. En el año 2010

la empresa ganó una subasta sobre el espectro de frecuencia de 2,5GHz, sobre el cual se

establecieron los planes para el desarrollo de la tecnología 4G o 3G evolucionadas como lo son el

caso de LTE y WiMAX según la ITU. La Figura 63 muestra un gráfico comparativo de los

suscriptores dedicados que usan tecnología inalámbrica.

Figura 63. Porcentaje de suscriptores asociados a los tipos de tecnología [11].

En Colombia, siguiendo las recomendaciones de la UIT y el Cuadro de Atribución de Frecuencias

mencionado anteriormente, una de las posibles bandas destinadas para implementación de

WiMAX es la banda de frecuencias de 2,5GHz a 2,7GHz como se mencionó previamente, ésta se

encuentra atribuida a título primario a Servicios Fijos Radioeléctricos, al Servicio Fijo por Satélite,

al Servicio Móvil y al servicio Móvil por Satélite [12]. El segmento de frecuencias asociado se

muestra en la Figura 64.


Figura 64. Atribución de Frecuencias entre 2,5GHz y 2,7GHz [10].

Sin embargo, no solamente existe este rango de frecuencias disponible para la implementación de

WiMAX, según la UIT otro fragmento del espectro utilizado comúnmente en el mundo para la

implementación de servicios de última milla, es la banda de 3,4GHz a 3,6GHz, la cual proporciona

diversas ventajas en cuanto a acceso a banda ancha inalámbrica debido a que no muchos

operadores utilizan esta banda de frecuencias. Figura 65.

Figura 65. Atribución de frecuencias entre 3,4GHz y 3,7 GHz [10].

Como se puede apreciar, el espectro designado se encuentra atribuido, a título primario, a

Servicios Fijos Radioeléctricos. Esta atribución es recomendada por la Unión Internacional de

Telecomunicaciones. Así, en el país se ha asignado la banda de 3,4GHz a 3,6GHz para operar

Sistemas de Acceso Fijo Inalámbrico (AFI/WLL); es decir, sistemas de radio comunicaciones que

tienen la capacidad de establecer conexiones entre estaciones base con centros de conmutación

para servicios de telefonía pública básica conmutada local, local extendida o móvil rural.

Finalmente, para el caso de estudio, se seleccionó la banda de 3,5 GHz para operación WiMAX,

debido a que presenta un menor número de operadores en la franja de radiofrecuencia y por

tanto, una menor probabilidad de interferencias con otros sistemas y tecnologías.

Actualmente, el espectro de frecuencias utilizado a nivel global para tecnología WiMAX se

distribuye aproximadamente como se muestra en la Figura 66.


Figura 66. Distribución mundial de espectro de frecuencias WiMAX [12].

6.12 Definición Modelo De Tráfico y Calidad del Enlace Para poder determinar cómo es el tráfico que se genera en una estación base y así definir la forma

de envío de los datos de cada concentrador se deben conocer los otros tipos de datos que maneja

normalmente una estación base de WiMAX. Según [13], existen 4 tipos de clases y servicios que

soporta WiMAX para atender a todos los usuarios de una celda, que ya se explicaron

anteriormente. El esquema para definir como es el tráfico que genera cada aplicación se muestra

en la Figura 67. [14]

Figura 67. Modelo Tráfico de Servicios en WiMAX.


Debido a que los datos del consumo de cada medidor inteligente deben ser enviados

constantemente para mantener un consumo más real de cada casa y ser aplicables al modelo

Real-Time Pricing de respuesta a la demanda, que requiere constantemente el consumo para

decidir cuál es la mejor opción para reducir el consumo residencial, es necesario enviar dichos

datos de cada AP/concentrador que retiene en memoria todo los datos de una zona en especial de

toda el área de cobertura constantemente aproximadamente cada 15 minutos para que la

estación base las lea, las envié a el centro de control para tomar las medidas correspondiente y

hacer los cálculos para determinar el precio de la energía de la hora después para que cada

medidor reciba las posteriores señales de control. Por esta razón en términos de tráfico y debido a

que la estación base debe recibir los datos rápidamente y en tiempo real, para esta transmisión

desde AP a estación base se usará el servicio de UGS para darle prioridad sobre streaming de video

mas no sobre VoIP debido a que esto es lo más usado en este servicio y conlleva bastante tráfico y

además no acepta retardos grandes debido a la naturaleza del servicio.

Es decir, la estación base va a esperar que se liberen algunas conexiones de celulares y dispositivos

móviles en la zona para empezar a transmitir los datos de los concentradores para que no se

pierda información y se puedan transmitir al centro de control todos los datos de todas las zonas,

para así hacer el cálculo del precio de la hora después para que este dato junto con capacidad

máxima de consumo, sea enviado a cada AP para que este a su vez lo envié a cada medidor en la

zona de cubrimiento. Se genera un retardo dado por la suma entre la cola y el retraso

característico del acceso a la BS para el intercambio de datos. El delay por el acceso y la asignación

de ancho de banda para cada AP por parte de la BS es de 10ms aproximadamente, por otro lado,

el valor de la cola depende de cuál sea la prioridad para cada AP de la zona de cubrimiento. En

total se asume una ventana de 10ms para que cada AP acceda a la asignación de ancho de banda

por parte de la antena base. Si hay aproximadamente 450 AP’s tenemos que hay un retardo para

la recepción de todos los datos (asumiendo que se envían todos los datos de la memoria de un AP

al tiempo) de aproximadamente 4,5 segundos para recibir todos los datos

La otra parte de la respuesta de la demanda, es decir el envío del precio nuevo para la hora

siguiente por parte de la red eléctrica a cada medidor para que este reduzca su consumo a partir

de algunos parámetros, se hace a través de la estación base y del uso de otro tipo de servicio. Para

el envío de estos parámetros se usará el servicio BE (Besteffort) en el cual no hay requerimientos

de retardos ni de data rate especial para enviar el dato del precio. Este servicio, en teoría, es uno

de los que tiene menor prioridad debido a que se hace una asignación del ancho de banda

determinado por una base sobre la disponibilidad de la red. Es decir, se envían los datos si hay

posibilidad de acceder a un ancho de banda asignado por la red, de lo contrario este parámetro no

se podrá enviar.

Este servicio fue escogido como el adecuado para enviar el precio debido al hecho que, como el

precio que se envía a los concentradores, es un precio de la hora después, no es crucial enviar este

dato constantemente debido a que se asume que la demanda y el precio a través de una hora son


casi constantes y que cada consumidor se debe ajustar a este para controlar el uso de los aparatos

y dispositivos que consumen la mayor energía eléctrica en las residencias. El retraso característico

solo de la espera de asignación de un ancho de banda y no del envío de todos los datos es el

mismo que para el anterior caso (4,5 segundos para el envío de todos precios de la hora después).

Quizás la mayoría del tráfico que se ve evidenciado en una estación base de WiMAX como ya se ha

explicado es el de VoIP que en teoría es el que mejores parámetros de QoS y mayor prioridad

necesita y mayores tasas de transferencia así como más tiempo necesitan para tener una

comunicación estable. En segundo lugar estarían las aplicaciones de VideoStream de MS (Mobile

Stations) que se encuentran en el área de cubrimiento de la estación base. Sin embargo, todo

este tráfico puede ser controlado por un scheduler basado en algún sistema de colas y de sistemas

MIMO, o FIFO para determinar el algoritmo de asignación de ancho de banda según prioridades

del sistema.

6.13 Desempeño de la Celda Wimax es un protocolo de comunicación que permite altas tasas de transmisión de datos.

Adicionalmente, utiliza el sistema de multiplexación multiusuario OFDMA para permitir que un

conjunto de usuarios del sistema de telecomunicaciones compartan el espectro de cierto canal

para aplicaciones de baja velocidad. Este sistema divide el canal en un conjunto de sub portadoras

para asignar por un tiempo específico un slot a cada usuario en función de sus necesidades.

Los modelos de propagación y de capacidad permiten hacer un análisis del desempeño de la

celda, en particular los modelos de propagación permiten calcular las pérdidas de información en

el trayecto y de esta manera poder calcular la distancia máxima que puede existir entre el

transmisor y el receptor garantizando que la potencia recibida sea mayor a la mínima sensitividad

permitida por el receptor para la correcta recuperación de la información. Por otro lado, la

capacidad permite conocer el mínimo número de usuarios que pueden descargar y cargar

información en la red. Es importante considerar que el análisis de cobertura y capacidad no se

pueden considerar por separado ya que la cobertura aumenta si la capacidad es baja y viceversa.

6.14 Modelos de propagación WiMAX La frecuencia de operación de WiMAX y de las tecnologías de cuarta generación en Colombia se

encuentra en la banda de 3,5GHz. Para escoger el modelo de propagación indicado para WiMAX es

necesario conocer la banda de frecuencia en la que opera ya que algunos modelos están

restringidos para bandas de frecuencia inferiores a 2GHz. Algunos modelos de propagación y

pérdidas del trayecto para WiMAX a 3,5GHz y sus principales características se presentan a

continuación:

6.14.1 Modelo de espacio libre FSPL

Éste modelo da como resultado las pérdidas de trayecto más bajas ya que considera que el

receptor y el transmisor están separados por un espacio libre con línea de vista directa (LOS), esto


implica además que no existe reflexión ni difracción. Teniendo en cuenta esto las pérdidas del

trayecto tienen la siguiente relación [9]:

Donde f es la frecuencia de operación en MHz y d es la distancia entre el transmisor y el receptor.

Se puede observar que éste modelo de propagación no tiene en cuenta los obstáculos existentes

entre el transmisor y el receptor y por lo tanto no contempla cuando no existe línea de vista

(NLOS), por esta razón no es un modelo realista para el caso de estudio[15].

6.14.2 Okumura- Hata extendido ECC-33

Este modelo permite calcular las pérdidas del trayecto para ambientes suburbanos, donde hay alta

concentración de casas y baja concentración de edificios, y para ambientes urbanos, alta

concentración de edificios, pero no se usa para ambientes rurales. Este modelo es una extensión

del modelo Okumura que no puede ser utilizado para 3,5GHz.

Donde es la atenuación de espacio libre en dB, es la atenuación media básica de pérdidas,

es la ganancia de antena del transmisor, es la ganancia de antena del receptor, d es la

distancia entre el receptor y el transmisor, f es la frecuencia de operación, hb es la altura del

transmisor y hr es la altura del receptor.

El modelo de propagación seleccionado para ésta aplicación se presenta a continuación, se conoce

como modelo SUI (Stanford University Interim) y es un modelo diseñado especialmente para

tecnología WiMAX[15].

6.14.3 Stanford University Interim

Este modelo es un modelo diseñado por la universidad de Stanford para el protocolo de

propagación IEEE802.16, posee un factor de corrección que permite extender este modelo a una

frecuencia de más de 2GHz, el radio de la celda de WiMAX varía entre 100m y 8km. Una ventaja

significativa del modelo SUI es que tiene en cuenta factores como la altura de las antenas, y el

terreno en el que se realiza la conexión.

Las alturas de la antena de estación base y del receptor varía entre 10m y 80m y entre 2m y 10m

respectivamente. Por otro lado, el modelo contempla 3 tipos de terrenos A, B y C, el terreno A


contempla las pérdidas de trayecto más altas ya que se puede utilizar para ambientes urbanos

donde exista alta concentración de edificios, el terreno B se utiliza para ambientes sub urbanos

donde existe una alta concentración de casas y finalmente el C es el que tiene las menores

pérdidas del trayecto y corresponde a terrenos rurales, planos y con baja vegetación.

Las pérdidas del trayecto en el modelo SUI están dadas por la siguiente relación:

Para d>d0, donde d es la distancia entre receptor y transmisor, d0=100m, es el factor de

corrección para frecuencias mayores a 2GHz, es el factor de corrección de la altura de la

antena receptora, s es el factor de corrección de sombreado y es el exponente de pérdidas del

trayecto. A continuación, se presentan los valores de los parámetros previamente enunciados:

Los parámetros a, b y c corresponden al terreno en el que se va a realizar la conexión de

telecomunicaciones. A continuación, se presentan los parámetros típicos para distintos tipos de

terrenos:

Tabla 23. Parámetros dependientes del terreno [15].

En este caso particular, la zona seleccionada en Bogotá tiene una mezcla de terrenos A y B con

prevalencia de zonas con alta densidad de edificaciones. Adicionalmente, debido a que el terreno

A es el que induce a más pérdidas del trayecto se tomará como el más restrictivo para el cálculo de

propagación. Por otro lado, los parámetros utilizados para el cálculo de propagación de WiMAX se

presentan a continuación:

Parámetro

Terreno A (Áreas

Urbanas)

Terreno B (Áreas

sub urbanas)

Terreno C (Áreas

rurales)

a 4,6 4 3,6

b [1/m] 0,0075 0,0065 0,005

c [m] 12,6 17,1 20


Tabla 24. Parámetros de simulación [15].

La altura de la antena receptora y de la antena transmisora, se basan en valores típicos en

ambientes urbanos. A continuación, se presentan las pérdidas del trayecto obtenidas:

Figura 68. Pérdidas del Trayecto, modelo de propagación SUI.

En la Figura 68 se puede observar que las pérdidas del trayecto aumentan a medida que se

incrementa la distancia entre el transmisor y receptor.

6.14.4 Cálculo de Cubrimiento de Celda

Teniendo en cuenta el modelo de propagación seleccionado (SUI), se realizó el cálculo del

cubrimiento de celda. Para esto se consideró la probabilidad de que la potencia recibida sea mayor

a la sensitividad, o mínima potencia admitida para la recuperación del mensaje [16].

Parámetro Valor

Radio de la Celda 2km

Altura de la antena de

transmisión 50m

Altura de la antena de

recepción 3m

Frecuencia de operación 3,5GHz

Factor de corrección de

sombreado 10,6dB

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000-20

0

20

40

60

80

100

Path

Loss (

dB

)

Distancia (m)


2

)(1

2

1)(

dP

rrerfdPP

Esta probabilidad se puede expresar en términos del radio de la celda R, y de la distancia desde

el centro de la celda r:

R

rbaerfdPP r ln1

2

1)(

Donde:

enb

RPra

10log10

2

)(

Donde es la potencia recibida en el radio R, es la potencia de transmisión, es la

ganancia de la antena de transmisión, es la ganancia de antena en el receptor y son las

pérdidas del trayecto promedio calculadas previamente.

Para los parámetros de la antena se toma como base la siguiente antena:

Figura 69. Antena WiMAX 3,5GHz (Degree sector Antenna).

Ganancia de antena: 13dBi.

Potencia de Transmisión: 23dB.

Por otro lado, la desviación estándar del error se consideró a partir de las mediciones hechas en

[17], lo que da como resultado:


Tabla 25. Desviación estándar del error [17].

Finalmente, para los modelos de propagación es necesario conocer la sensitividad de cada una de

las modulaciones admitidas en WiMAX, para esto es necesario seleccionar el ancho de banda del

canal. La selección de este parámetro se realizó con base en la actualización del protocolo

IEEE802.16 del 17 de agosto de 2012, donde se indica que para una frecuencia de inicio de 3,5GHz

el ancho de banda correspondiente es de 10MHz. Teniendo en cuenta lo anterior, las

modulaciones y sus respectivas sensitividades para un ancho de banda de 10MHz según el

estándar IEEE802.16 son:

Tabla 26. Sensitividad del Receptor [13].

A continuación, se presentan los resultados del cálculo de cobertura WiMAX para sus distintas

modulaciones:

Modulaciones Sensitividad (dBm)

QPSK-1/2 -82

QPSK-3/4 -79

16-QAM-1/2 -75

16-QAM-3/4 -72

64-QAM-2/3 -68

64-QAM-3/4 -66

Ancho de Banda del Canal 10MHz


Figura 70. Cobertura de Celda.

La Figura 70 muestra la relación entre la probabilidad de que la potencia recibida sea mayor que la

sensitividad del receptor y la distancia entre el receptor y el transmisor. A partir de la gráfica se

puede concluir que la celda WiMAX, sí abarca la cobertura de un radio de 2km con una

probabilidad de que la potencia recibida sea mayor a la mínima requerida para reconstruir el

mensaje del 100%. Además, se puede observar que esta cobertura se logra con todas las

modulaciones del canal de 10MHz [13].

6.15 Capacidad WiMAX Otro parámetro fundamental para evaluar el desempeño de la celda WiMAX es la capacidad, para

este se realizó el modelo simplificado [18].

Inicialmente, se debe considerar la estructura del OFDMA que se presenta a continuación:

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Distancia [m]

Pro

babili

dad (

Sensitiv

idad >

Pote

ncia

recib

ida)

QPSK-1/2

QPSK-3/4

16-QAM-1/2

16-QAM-3/4

64-QAM-2/3

64-QAM-3/4


Figura 71. Estructura OFDMA [13].

A los usuarios WiMAX, concentradores, se les asigna un número variable de slots tanto en DL

(Downlink, entre BS y AP’S) como en UL (Uplink, entre AP’S y BS) dependiendo del esquema que se

utilice, en este caso se utilizó el esquema del uso parcial de los sub canales (PUSC) tanto para UL

como para DL, este indica que para UL cada slot está conformado por 6 Tiles donde cada una tiene

4 sub portadoras sobre 3 símbolos en el tiempo, lo que da un total de 24 sub portadoras por 3

símbolos en el slot. Por otro lado, para DL, cada slot se compone de 2 Cluster cada uno

conformado por 14 sub portadoras sobre 2 símbolos en el tiempo, dando un total de 28 sub

portadoras en 2 símbolos por slot. A continuación, se presenta un diagrama explicativo del

esquema PUSC:


Figura 72. Símbolos, Tiles, Slots, Cluster en UL y DL PUSC [18].

El ancho de banda del canal que se va a utilizar es de 10MHz, ya que es el recomendado por la IEEE

802.16 para una frecuencia de operación de 3,5GHz, este se dividió en 1024 portadoras en las

cuales se realiza la transmisión de datos y adicionalmente algunas de estas portadoras están

reservadas para el monitoreo de la calidad del canal (Pilot subcarriers), para ofrecer zonas seguras

entre los canales (guard subcarriers) y para dar una referencia (DC subcarriers). Teniendo en

cuenta lo anterior y lo estipulado por el estándar IEEE 802.16 tanto para el número de sub

portadoras en UL como en DL se obtuvo la siguiente información:


Tabla 27. Sub portadores en canal de MHz para DL [13].

Tabla 28. Sub portadores en canal de MHz para UL [13].

Las sub portadoras usadas incluyen la sub portadora DC, es decir son 840 sub portadoras usadas

sin tener en cuenta la referencia. Por otro lado, el cálculo del número de canales se realiza de la

siguiente manera:

# de sub portadoras DC 1

# de sub portadoras de

guarda, lado izquierdo 92


guarda, lado derecho 91

# de sub portadoras

usadas 841

# de portadoras por

cluster 14

# de clusters por slot 2

# de sub portadoras en

cada símbolo por sub

canal 28

# de sub canales 30

# de sub portadoras DC 1


guarda, lado izquierdo 92


guarda, lado derecho 91

# de sub portadoras

usadas 841

# sub portadoras por

tile 4

# tiles por slot 6

# de sub portadoras en

cada símbolo por sub

canal 24

# de sub canales 35


Conociendo el esquema que se va a utilizar se procede a definir los parámetros del sistema, con

base en lo especificado en el estándar IEEE 802.16:

Tabla 29. Parámetros OFDMA para canal de 10MHz [13].

Adicionalmente, en la Figura 71 se observa que existe una serie de columnas de símbolo

correspondientes a un preámbulo, un FCH o franja de control de encabezados y el DL_MAP y el

UL_MAP especifican el perfil Burst, estos se componen de una parte fija que siempre es

transmitida y de una parte variable que depende del número de Burst en la sub franja DL y UL.

Teniendo en cuenta que el tiempo de símbolo OFDMA es de 102,8μs y que el Frame es de 5ms se

obtienen 48,6 símbolos de los cuales 1,6 son usados para TTG y RTG, dando como resultado 47

símbolos; para obtener la relación 2:1 entre DL: UL se deben encontrar dos números tales que su

suma de 47, el de UL debe ser múltiplo de 3, debido a los encabezados generados por CQI & ACK,

y el de DL debe ser impar para que al restarle el byte de preámbulo de un número par. Teniendo

en cuenta estas indicaciones los números obtenidos son 29:18.

Para el cálculo de los slots de DL y UL se sigue el siguiente procedimiento:

Por otro lado en la Tabla 30 se presentan las modulaciones y sus porcentajes para poder conocer

el número promedio de bytes de DL y UL por slot, este cálculo se realiza con la siguiente relación:

OFDMA PARAMETERS WIMAX 802.16

System Bandwidth (MHz) 10

Sampling factor 28/25

Sampling frequency (MHz) 11,2

Sample time (nsec) 89

FFT size 1024

Subcarrier spacing (kHz) 10,93

Useful symbol time (µsec) 91,4

Guard Time (µsec) 11,4

OFDMA symbol time (µsec) 102,8


Tabla 30. Modulaciones WiMAX[19]

Los resultados obtenidos para cada una de las modulaciones se suman para obtener el valor

promedio de bytes tanto de DL como de UL, y de esta manera poder hacer el cálculo de capacidad.

Tabla 31. MCs.

Además, para el análisis de capacidad es necesario contemplar los encabezados generados, estos

se dividen en: encabezados de las capas superiores cómo los generados TCP (Protocolo de Control

de Transmisión) sobre IP (protocolo de internet), encabezados de las capas inferiores en las capas

MAC y PHY.

Los encabezados de las capas superiores para TCP sobre IP son de 40 bytes y se pueden reducir

con las estrategias de PHS (PayloadHeaderSupression) y ROHC (RobustHeaderCompression)

respectivamente, para el caso de estudio se utilizará el esquema d compresión ROHC que reduce a

8 bytes el encabezado.

Por otro lado, los encabezados de las capas inferiores son, para la capa MAC son 8 bytes

incluyendo un esquema ROHC. Adicional a estos encabezados, se encuentran 4 bytes de CRC

(CyclicRedundancyCheck) que se encargan de revisar si el envío fue exitoso y si no, pide

retransmisión; es importante aclarar que el CRC no corrige los errores, simplemente los detecta.

Average MCS %DL %UL Bits per Symbol Coding Rate DL bytes per slot Average DL bytes per slot UL bytes per slot Average UL bytes per slot

FADE 0,03% 2,97% - - - - - -

QPSK 1/8 5,26% 12,01% 2 0,125 1,5 0,0789 1,5 0,18015

QPSK 1/4 26,65% 29,10% 2 0,250 3,0 0,7995 3,0 0,873

QPSK 1/2 33,03% 29,67% 2 0,500 6,0 1,9818 6,0 1,7802

QPSK 3/4 10,72% 9,23% 2 0,750 9,0 0,9648 9,0 0,8307

16QAM 1/2 19,92% 12,51% 4 0,500 12,0 2,3904 12,0 1,5012

64QAM 1/2 3,83% 0,75% 6 0,500 18,0 0,6894 18,0 0,135

64QAM 2/3 0,21% 0,05% 6 0,667 24,0 0,0504 24,0 0,012

6,9552 5,31225

MCS Mezcla de MCS

Average DL bytes per slot 6,96

Average UL bytes per slot 5,31


El tamaño del MAC SDU es 21 bytes, esto se deriva de que se asume que cada dato de medición

de energía activa capturada por el medidor inteligente contiene un “time stamp” (12 Bytes), un

campo id (3 Bytes), “unit” (2 Bytes) y “value” (4 Bytes), lo que suma un total de 21 bytes.

Para el cálculo de capacidad de la celda WiMAX DL y UL para un canal asimétrico, se utilizó la

siguiente relación:

Por otro lado, para este cálculo, se tuvo en cuenta que la cantidad de usuarios se encuentra

establecida en 500, considerando cada uno de los APs instalados en cada una de las zonas que

contienen la información del consumo de energía eléctrica asociada a uno de los medidores

correspondientes. Por tanto, el tamaño en bytes del parámetro MAC SDU se multiplica por este

número con el fin de estimar la capacidad de toda la red.

Igualmente, el tiempo considerado para cada uno de los envíos de consumo desde el medidor

hacia el centro de control se estima en 15 minutos, es decir que se considera una tasa periódica de

transmisión que determina la capacidad en Uplink (medidor-centro de control) y Downlink (centro

de control-medidor).

Para este caso los resultados se presentan a continuación:

Tabla 32. Parámetros AMI para cargar información del consumo.

Scheduler Type Enhanced

Parameters AMI

MAC SDU size without header (bytes) 10500

ROHC packet type TCP

Overhead with ROHC (bytes) 4000

MAC SDU size with header (bytes) 14500

Data Rate (bps) without upper layer headers 1400,00

Data Rate (bps) with upper layer headers 1933,33

Deadline(s) 900,00


Tabla 33. Usuarios DL, petición de la estación base.

Tabla 34. Usuarios UL, respuesta de los AP'S

Como se puede ver en la Tabla 34, el valor más restrictivo está asociado al número de usuarios UL,

ya que el tráfico de datos demandado para el envío de la energía consumida medida es mayor al

requerido por la petición que hace la estación base para recibir ésta información.

Por otro lado, debido a que el enlace es bidireccional, cuando se envían datos de tarificación

desde el centro de control a cada uno de los medidores, con los AP´S como intermediarios, se

considera la transmisión de 500 paquetes cuyo destino son los usuarios WiMAX y contienen la

información de la tarifa asociada al consumo. Para este escenario la periodicidad de transmisión se

establece en una hora, puesto que se está dando a conocer al usuario el valor promedio de su

consumo de la hora siguiente.

En este caso, el valor más restrictivo sería el número de usuarios DL, ya que el canal UL solo está

realizando una petición de envío de datos.

7. Comunicación con el centro de control

7.1. Red de comunicaciones CODENSA Centro de control El centro de control de CODESA se ubica en el sector noroccidental de la ciudad de Bogotá,

específicamente al lado de la subestación Salitre. El centro de control debe ser único y

centralizado, asegurando que la operación se realice en un solo lugar permitiendo la coordinación

de las distintas operaciones.

DL (Petición APDU)

Bytes/5ms frame per user (DL) 20,00

Number of fragmentation subheaders 0

Number of packing subheaders 1

DL data slots per user with MAC headers + packing and fragmentation subheaders4,03

DL -MAP IE 5,00

UL-MAP IE 5,00

Total slot per user 14,03

Number of users (DL) 5434503,89

UL (Get-Response APDU)

Bytes/5ms frame per user (UL) 217500,00

Number of fragmentation subheaders 1

Number of packing subheaders 0

UL data slots per user with MAC headers + packing and fragmentation subheaders40944,61

Number of user (UL) 769,33

Total number of users min(UL,DL) 769,33


Figura 73. Centro de control de CODENSA.

Actualmente el centro de control opera con SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

para la supervisión de las subestaciones y en general de la red de distribución, y se encuentran en

una etapa de transformación en la que desean remplazar SCADA SAC, un sistema desarrollado por

CODENSA.

La empresa de energía de Bogotá CODENSA cuenta con un anillo de fibra óptica que interconecta

las 61 subestaciones de tal forma que estas se encuentren supervisadas y tele controladas, con

más de 35000 señales enviadas al centro de control de CODENSA.


7.1.1 Anillo de Fibra óptica

Figura 74. Anillo de fibra óptica CODENSA.

El anillo abarca 305 km sobre toda la ciudad de Bogotá. Esta red de comunicaciones implementa

equipos SISCO mediante un convenio asociado y por lo tanto opera bajo protocolo TCP/IP

teniendo en cuenta la configuración de enrutadores y su disposición sobre el sistema de

comunicaciones. De esta forma el anillo de fibra óptica atiende la demanda de toda la ciudad y

presta servicios adicionales a algunas regiones externas a partir de 80 km de fibra adicionales.

Así, el anillo facilita la recolección de información de las diferentes subestaciones y la envía

directamente al centro de control. Las subredes que se derivan de las subestaciones mencionadas

se inician desde el conmutador o “Switch” ubicado sobre las estructuras con acceso a la red de

fibra, donde llega la información de consumo de diversas redes de área local y es transmitida a

través del anillo.

En paralelo, CODENSA maneja una red de comunicaciones basada en GSM/GPRS, con el fin de

establecer un proceso de telecontrol y telegestión sobre las redes de media tensión (MT). Como

se mencionó anteriormente, se busca implementar una nueva tecnología sobre la base de su

modelo de automatización SCADA. De igual forma, este proceso tiene como objetivo el control de

elementos de protecciones a lo largo del sistema de distribución, inicialmente, sobre el cual se

tiene cobertura. Para ello, los reconectadores instalados cuentan con puertos seriales RS232, y

adicionalmente manejan el protocolo DNP3.0, cuya información es transferida hasta un terminal

SIEMENS TC65T que empaqueta y re-transmite a través de la red celular usando tecnología GPRS.


7.1.2 Sistema de medida concentrada

El sistema de medida concentrada SMC se encarga de la administración, obtención,

procesamiento, mantenimiento y envío de información relacionada con la gestión remota de los

equipos de medida. La empresa de energía de Bogotá, CODENSA, establece unas normas para el

sistema de medida concentrada generando una serie de especificaciones técnicas y actividades

necesarias para permitir la comunicación entre los medidores, concentradores de datos y el centro

de control de CODENSA. A continuación, se presenta el diagrama de conexión:

Figura 75. Esquema del sistema de medida concentrada.

En la Figura 75 se observa inicialmente los clientes tanto residenciales, comerciales e industriales

de la empresa de energía, cada uno de estos clientes posee un medidor inteligente que envía

información a los concentradores de datos mediante una red de comunicaciones de área local, en

el caso del diseño propuesto ésta red es WiFi, posteriormente los concentradores envían la

información recolectada de todos los medidores de un sector a una estación base por medio de

una red de área amplia, en este caso WiMAX. Finalmente, esta estación base se comunica con el

centro de control por medio de otra red de área amplia soportada por el centro de control de la

empresa de energía.

Algunos de los servicios ofrecidos por el sistema de medida concentrado son:

Suspensión, corte y reconexión del servicio de forma remota y local.

Control de pérdidas, reporte de alarmas, seguimiento de clientes especiales y generación

de balances energéticos para minimizar las pérdidas de energía.

Facturación, para lo cual requiere cargar libro de lecturas, tomar lecturas periódicas y

generar un archivo leído.

Cargar y descargar archivos en el sistema comercial de CODENSA a través del servidor

FTP.

Cargar y descargar archivos en el sistema de medida concentrada desde el sistema

comercial de CODENSA por medio de FTP.


Operar los equipos de medida por medio del sistema de medida concentrada utilizando

terminales portátiles.

Permitir la comunicación con los sistemas de información de CODENSA de forma

inalámbrica por medio de GSM/GPRS.

Adicionalmente, dentro de las especificaciones dadas por CODENSA se pueden destacar los

siguientes aspectos:

La comunicación entre los medidores de energía eléctrica inteligentes y los concentradores de

datos debe ser por medio de radio frecuencia RF, Power Line Communication PLC, alámbrica o

inalámbrica. Adicionalmente, debe garantizar un nivel alto de confiabilidad en cuanto a capacidad,

cobertura, entre otros, para la correcta operación del sistema.

Por otro lado, la comunicación entre el concentrador y el modem GPRS se debe realizar de forma

alámbrica y la comunicación entre el módem y el servidor FTP de CODENSA se puede realizar por

medios alámbricos como Ethernet bajo TCP/IP o inalámbricos utilizando GSM/GPRS.

Flujo de información

Cada uno de los servicios ofrecidos por el SMC requiere de un flujo de información diferente. A

continuación, se presenta una descripción de los flujos bidireccionales de eventos relacionados

con los medidores inteligentes, es decir el servicio de suspensión y reconexión y el servicio de

facturación:

Suspensión y reconexión del servicio de forma remota local

El SMC permite controlar y gestionar las operaciones de suspensión y reconexión del servicio de

energía eléctrica, para esto debe haber un flujo de eventos en el que el tecnólogo comercial

solicita la información de emisión de órdenes del sistema comercial de CODENSA por medio del

SMC, este valida que la estructura de datos sea correcta y finalmente ejecuta las operaciones de

suspensión o reconexión del servicio y genera un reporte de las órdenes ejecutadas.

Reporte de alarmas, seguimiento de clientes especiales, generación de balances

Este servicio permite que el centro de control de CODENSA reciba información periódica de los

equipos de medida y de las alarmas generadas por estas para asegurar una acción oportuna ante

anomalías.

Dentro del flujo de información enviada desde los medidores hacia el centro de control se

encuentran las variables medidas como la energía activa (kWh), la energía reactiva (kVAh), la

potencia activa, la potencia reactiva, las tensiones de fase y las corrientes; con esta información el

centro de control puede detectar si se ha presentado alguna anomalía en el sistema.

Por otro lado, existe un flujo de información desde el SMC hacia el sistema comercial de CODENSA

en donde se indican las anomalías detectadas.


Control de tarificación por medio del libro de lecturas

Esta aplicación se basa en la lectura de los reportes generados por los medidores para así poder

hacer el cálculo de los consumos que se van a facturar y los cargos que se cobrarán por estos.

Este servicio ofrecido por el SMC es el que lleva el tráfico de información relacionado con la

aplicación de respuesta de la demanda. A continuación, se presentan los flujos de información de

esta aplicación:

El sistema comercial de CODENSA solicita al SMC la lectura y verificación de la información

obtenida de los medidores inteligentes en el periodo actual y posteriormente actualizará la

información recibida de los medidores cada vez que se actualice el libro de lectura. En la toma de

lectura se registra información relacionada con el servicio eléctrico que se está prestando, la

anomalía en la lectura, la marca del medidor, el código serial del medidor, la ubicación del servicio

eléctrico, la ubicación del servicio en un predio, el tipo de energía y los datos capturados por el

medidor para un periodo de facturación específico.

7.1.3 Pila de Protocolos

Para cumplir con los requerimientos de protocolos que implementa la red AMI con su arquitectura

de comunicaciones basada en los protocolos IP y teniendo en cuenta las características de la red

de comunicaciones de CODENSA se requiere que la pila de protocolos implementada sea de tipo

TCP/IP. Esta pila de protocolos se rige bajo las diferentes capas del sistema OSI para el intercambio

de datos en una red de telecomunicaciones. Al ubicar una pila TCP/IP se garantiza

interoperabilidad entre los diferentes equipos y componentes de la red dado que todos los

elementos estarán basados sobre el mismo estándar de protocolos y no será necesario

implementar etapas de conversión de datos de un protocolo a otro, esto ayuda a reducir costos y

a mejorar la confiabilidad, la estabilidad y la operación de la red inteligente.

A continuación, se presenta el esquema de la pila de protocolo TCP/IP de la red de CODENSA:


Figura 76. Pila de protocolos TCP/IP.

7.2 Configuraciones de Enrutadores Los enrutadores son elementos de Nivel 3, cuya función es permitir la interconexión de distintas

redes y redirigir la transmisión de datos según como se establezca la mejor ruta de salida. Así

mismo, un enrutador tiene la función de procesamiento de paquetes, considerando parámetros

de potencia de procesamiento y retraso de envío, de esta forma se controla el filtrado de

colisiones en la transmisión local de datos.

La red de comunicaciones de CODENSA implementa enrutadores CISCO de los cuales se destaca el

modelo CGR2010 “CISCO Connected Grid Router”.

Con respecto a las diferentes configuraciones que puede presentar un enrutador, se presentan

tres diferentes tipos de topologías:

Configuración estática

Configuración dinámica

Configuración con sobrecarga

A continuación, se presenta una descripción de cada una de las configuraciones mencionadas

Aplicación • HTTP, FTP, DNS

Transporte

• TCP, UDP, RTP, SCTP

Internet

• Para TCP/IP este es el Protocolo de Internet (IP)

Enlace

• Ethernet

Físico

• Medio físico, y técnicas de codificación, T1, E1


7.2.1 Configuración estática

En esta configuración, se mapea una dirección IP privada con una dirección IP pública. De esta

manera a cada equipo de la red privada se le debe asignar una dirección IP pública para poder

tener acceso a internet. Con esta configuración, se asignan las direcciones IP de manera poco

eficiente dado que se agotan las direcciones rápidamente. En diferentes momentos se puede

presentar una situación en la que no se estén utilizando diferentes IP dado que los equipos

privados se encuentran apagados o sin conexión a red y sin embargo se encuentran asignadas sin

posibilidad de ser usadas por otros equipos.

En otras palabras la configuración de ruta estática, provee caminos fijos a través de la red, por

tanto se configura de forma manual y si la topología de la red es modificada, la ruta estática debe

ser actualizada. Este tipo de rutas son de naturaleza privada a menos que sean re-distribuidas por

un protocolo de enrutamiento.

7.2.2 Configuración dinámica

Con este tipo de configuración se busca mejorar obstáculos que se presentan en la asignación de

direcciones IP con la configuración estática. Con esta configuración, se realiza una agrupación de

diferentes direcciones IP públicas para un grupo de direcciones privadas. Las direcciones son

asignadas de manera dinámica y por demanda, de esta manera se presenta una mejor distribución

del uso de las direcciones IP disponibles.

A diferencia de las rutas estáticas, en las rutas dinámicas el protocolo de red se ajusta de manera

automática al mejor camino según una evaluación de tráfico o topología. Los cambios de

enrutamiento en configuración dinámica son compartidos con oros enrutadores de la red.

Los enrutadores CISCO pueden protocolos de enrutamiento IP, como lo es el

“RoutingINformationProtocol” (RIP) o “Enhanced Interior Gateway RoutingProtocol” (EIGRP).

7.2.3 Configuración con sobrecarga

La operación con sobrecarga, que es el método más común en hogares, consiste en el uso de una

dirección IP pública para mapear varias direcciones IP privadas. Con este método se puede lograr

un ahorro económico importante dado que el usuario adquiere el servicio de una sola dirección y

puede usar varios equipos para conectarse a la red con esta. Por el otro lado, al asignar sólo una IP

para varios equipos, se reduce la taza de agotamiento de direcciones disponibles para asignar.

7.3 Red Backhaul Celular Las redes Backhaul son consideradas como la parte de la red de telecomunicaciones que conecta

las estaciones base con la Core Network (MSC, HLR y CS and PS switches) y los controladores de

estaciones Base BSC. La Core Network que viene después de la red Backhaul consiste una red

PLMN que sirve como Gateway a una red de datos. Por esta razón los términos más importantes

que se deben tener en cuenta para entender las redes Backhaul móviles de un operador celular

son; BSC y estación base (BS) que conforman el RAN (Radio Access Network), aunque a veces se


incluyen algunos dispositivos de inclusión llamados Aggregation Devices que son compuestos por

Hubsites y BS’s.

Es necesario decir que para diferentes tecnologías móviles como 3G o 2.5G los nombres de las

estaciones base y BSC cambian.

Las redes Backhaul típicamente permiten que se transporten datos desde el consumidor hasta la

internet y redes de telefonía móvil. La red Backhaul puede representar un grupo de celdas

agregadas a un Hubsite. Los componentes que hacen parte de una red Backhaul y una

representación básica de una red Backhaul celular se muestran en la Figura 77 y Figura 78

respectivamente:

Figura 77. Componentes Red Backhaul Celular.

Figura 78. Representación Básica Red Backhaul.

Esta red se expande desde las compuertas de transporte de las celdas y de las estaciones base,

hasta los puertos de transporte del Core Network. Estas redes típicamente usan una o varias

tecnologías de transmisión físicas para voz y datos que incluyen fibra óptica, RF y satélite. La

conexión de este tipo de redes y las formas de transporte que soportan las estaciones base

dependen de la generación (Tecnología) en la cual la red celular de una zona está montada eg. 3G

2.5G y 4G y requerimientos de ancho de banda. Por ejemplo para redes 3G/4G la BTS trabaja

sobre una base de transporte IP/Ethernet y MPLS. Sin embargo, no siempre en toda la red

Backhaul se usa sólo un tipo de medio físico de transmisión y mecanismos de transporte debido a

que los requerimientos del sistema cambian. En la mayoría de lugares donde hay una red móvil, la

comunicación de las BS no se hace por un medio físico sino por RF.


Por esta razón existen diferentes topologías para la composición y conexión de todas las

estaciones base en un sistema de comunicaciones con la Core Network y con las BSC usando

interfaces de radio frecuencia de las cuales su uso depende de requerimientos de redes instaladas,

restricciones ambientales y de presupuesto. Estas topologías se muestran en las figuras Figura 79

Figura 80 Figura 81 y Figura 82:

Figura 79. Topología RF Punto a Multipunto en redes Backhaul.

Figura 80. Topología RF P2P Configuración Estrella en redes Backhaul.

Figura 81. Topología RF P2P Configuración Árbol en redes Backhaul.


Figura 82. Topología RF P2P Configuración Anillo en redes Backhaul.

Conociendo las configuraciones básicas para las redes Backhaul se puede afirmar que la mejor

forma de comunicar los medidores y concentradores de datos con los centros de control es a

través de una interfaz Ethernet y TDM entre las diferentes estaciones base WiMAX que se

requieren para poder tener todos los datos de la zona de cubrimiento y el centro de control a

través de un dispositivo Hub que controla las diferentes RAN-Base Station. De los medidores salen

señales sobre el consumo de la potencia eléctrica en cada residencia a través de la red Wi-Fi

expuesta anteriormente. La antena WiMAX que recibe todos los datos de los AP guarda los datos

en el concentrador de datos y a través de un switch envía dichos datos a la subestación más

cercana(en este caso la subestación Salitre) que tiene un Access Point P2MP debido a que debe

tener la capacidad de recibir datos de diferentes estaciones WiMAX. El transporte de dichos datos

se debe hacer a través de IP o una conexión Ethernet para realizar el envió de datos sobre la red

móvil 3G/4G ya establecida.

Finalmente de la subestación Salitre debe haber un acceso P2P para comunicar los datos con el

centro de control de CODENSA. Dado que ya se cuenta con infraestructura de fibra óptica, la mejor

solución es emplearla para comunicar dichos datos a través de IP. Cabe anotar que la mejor

topología de las vistas anteriormente la topología P2MP es la que se adapta más a las condiciones

del sistema a la distribución de todas las posibles antenas Wi-Max empleadas para recibir todos

los datos de los medidores inteligentes.

7.4 Capacidad y Cobertura de Red De Comunicaciones en Bogotá La red de comunicaciones en Bogotá que emplean las diferentes empresas de energía es

controlada por la empresa de telecomunicaciones de Bogotá (ETB) la cual provee el servicio de

Banda Ancha y de tecnologías inalámbricas P2MP. Hoy en día hay más de 850.000 subscriptores a

Internet y se cuenta con un total de 1862 kilómetros de fibra óptica en todo el país y en Bogotá

posee una red de cobre, microondas y transmisión satelital del 100%.

Para el año 2008 se contaba con una capacidad de fibra óptica de 2500 a 147500 Mbps, cifra que

tiene un crecimiento de 12.6% anual. Esta capacidad se ve repartida sobre 52 municipios en los


cuales tiene cubrimiento la red de comunicaciones que es regulada por el Ministerio de

Comunicaciones de la Ciudad.

7.5 Arquitectura IP de la red AMI Una red AMI es la propuesta ideal para el proceso de comunicaciones entre los diferentes

componentes de una red inteligente. Los medidores inteligentes pueden realizar una

comunicación con el usuario y con el centro de control para realizar el intercambio de información

que se espera de la red inteligente, a través de protocolo IP con su respectiva arquitectura de

manejo de capas OSI. Sin embargo, la red AMI debe garantizar el cumplimiento de ciertos

requerimientos que la red inteligente impone, para garantizar un buen desempeño de la misma. A

continuación, se presentan algunos de los requerimientos:

Los protocolos IP implementados en las capas superiores deben seguir normatividad

establecida en estándares para garantizar interoperabilidad. Además, si se usan

estándares de acceso abierto y no privados, se garantiza una mayor facilidad de trabajo

entre equipos y operaciones.

Se debe garantizar que el sistema pueda ser escalable, dado que las conexiones de

usuarios a la red inteligente se incrementará con el paso del tiempo. La red AMI debe

contar con la posibilidad de ser mejorada a medida que nuevas tecnologías y protocolos se

desarrollen.

La red debe tener un altísimo grado de confiabilidad, debe garantizar su operación

continua y capacidad de auto-recuperarse de fallas locales y perturbaciones en la

alimentación para reducir el tiempo de recuperación de salidas del sistema.

Debe garantizarse la prioridad del tráfico dependiendo de los datos que envíe cada uno de

los puntos del sistema.

Se debe garantizar la seguridad de envío de información evitando violaciones a la red que

puedan darse por hackers.

El estándar ANSI C12.22 define una serie de mensajes y protocolos de comunicación para los

dispositivos de la red inteligente que usa la encriptación AES. Como este protocolo depende poco

de la configuración de las capas más bajas, presenta un alto grado de interoperabilidad entre

equipos.

Algunos elementos de la arquitectura de comunicación IP del protocolo se describen a

continuación:

Nodo IP C12.22: es un nodo ubicado dentro de un segmento de red IP C12.22 y se

comunica usando el protocolo IP

Segmento de red IP C12.22: agrupación de nodos IP C12.22 que implementan protocolo

IP para comunicarse entre ellos por medio de routers.


C12.22 IP Relay: Es un nodo que actúa como puente entre un nodo C12.22 IP y otro nodo

adyacente.

Red C12.22 IP: es una infraestructura de comunicaciones compuesta por segmentos de

red C12.22 IP conectadas por Relays y que contiene un C12.22 Master Relay.

C12.22 IP Master Relay: es un nodo ubicado en el centro de control que se encarga de

registrar los diferentes nodos del sistema. Contiene toda la información de enrutamiento

de todos los dispositivos de la red.

Módulo de comunicaciones C12.22: es un elemento Hardware que se encarga de unir los

elementos y equipos de la red a un segmento de la misma.

Dispositivo C12.22: contiene aplicaciones y las correspondientes interfaces para

interactuar con el módulo de comunicaciones.

C12.22 IP Host: Es un nodo que contiene una aplicación C12.22.

C12.22 gateway: es un dispositivo que se encarga de comunicar nodos que son C12.22 y

nodos que no lo son. Se encarga de “traducir” la información entre los dos tipos de

nodos.

A continuación, se presenta un esquema de como es el intercambio de información con la

arquitectura IP de la red AMI:

Figura 83. Esquema de la arquitectura IP de la red AMI.


8. Trabajo Futuro Dentro del trabajo futuro que se puede realizar a partir de este proyecto se encuentra el

diseño de la red HAN (Home Area Network), ésta es la encargada de realizar la

comunicación entre los dispositivos electrónicos, dentro de las residencias y empresas, y

los medidores inteligentes para extraer la información relacionada con el consumo de

energía eléctrica de cada dispositivo. Además, por medio de una comunicación

bidireccional es posible controlar automáticamente el encendido y apagado de los

aparatos electrónicos, permitiendo una reducción en el consumo de energía en horas pico

y así una reducción de la tarifa.

Finalmente, dado el incremento de la instalación de generadores distribuidos, la

implementación de una red HAN permite un control constante de estos para asegurar la

confiabilidad del sistema.

Para la red HAN es posible implementar protocolos de comunicación en interiores y de

corto alcance como ZigBee y WiFi, ya que la mayoría de medidores disponibles en el

mercado soportan estas dos tecnologías.

El diseño propuesto se basa en las tecnologías 802.11n WiFi y 802.16 WiMAX, es posible

evaluar diferentes protocolos de comunicaciones tanto para la red LAN y la red WAN de

tal forma que se mejore el desempeño de las celdas. En el caso de la red LAN es posible

remplazar la tecnología WiFi por otra que ofrezca una mayor cobertura y de esta forma

permita reducir el número de concentradores y así mismo es costo de implementación del

proyecto. Por otro lado, la red WAN podría ser implementada en la tecnología LTE, debido

a la gran acogida que ha tenido.

Es necesario evaluar otro tipo de tecnologías para realizar un diseño óptimo de una red

AMI. Cada protocolo tiene ventajas y desventajas distintas por lo que es necesario hacer

una relación costo beneficio de cada una, de esta manera se puede hacer un diseño con

una mayor escalabilidad y robustez.

Dentro de los ítems de evaluación de un proyecto de ingeniería, se evalúa la viabilidad

económica del mismo. Queda para trabajo futuro, realizar un estudio económico de la

instalación de equipos y la implementación de la red. Es necesario tener en cuenta que se

debe contar inicialmente con la red inteligente para poder pasar a la etapa de evaluación

del proyecto realizado.

Es de vital importancia realizar un planeamiento de distribución de canales de frecuencia

para garantizar la correcta operación y evitar interferencia entre equipos, dado que al

momento de aumentar la asignación de equipos que operan en la banda de 5 GHz se debe


tener mayor cuidado al asignar anchos de bandas de operación. Este proceso de

planeación queda como trabajo a realizar posteriormente y no está incluido dentro de los

requerimientos del proyecto.

La instalación de medidores y las pruebas para la comunicación de estos con los

concentradores de datos se debe hacer a futuro para poder hacer pruebas y ver la

factibilidad y la optimalidad de la red de comunicaciones y así empezar con la

implementación de toda la red, teniendo en cuenta que se deben hacer previamente

simulaciones en algún software de todos los medidores, Acces Points y concentradores

para observar la rapidez y los tiempos de espera de cada uno de estos elementos. Para

esta instalación física de medidores es necesario tener en cuenta cómo será la instalación

eléctrica de cada medidor y como se va a comunicar cada medidor con los dispositivos en

cada hogar para implementar la red HAN, además se deben definir los lugares óptimos de

cada medidor implementado en lugares con más de una residencia como apartamentos,

así como el modelo de propagación que más se adapta a las condiciones del lugar donde

se realizara la instalación física.

9. Conclusiones Al realizar una evaluación general sobre el desarrollo del proyecto, es válido resaltar que la

metodología implementada a lo largo del proceso de diseño, permitió cumplir los

objetivos de manera satisfactoria. Puesto que si bien se realizo una profunda consulta

teórica y procedimientos de cálculo relacionados con los parámetros de operación de la

red, fue gracias a la estructura de elaboración, las múltiples comparaciones y la

construcción ordenada del sistema que se logró un producto final completo, que cumple

con las características, parámetros y restricciones establecidas en la etapa inicial. De esta

forma, se puede afirmar que el diseño exitoso de la red inalámbrica seleccionada,

comprende como base fundamental una correcta etapa de planeación, en la cual se define

un camino y se establecen los métodos necesarios que serán utilizados para el

cumplimiento de los objetivos previamente planteados.

Sujeto a esta metodología, se encuentra el conjunto de bases teóricas y análisis de estado

del arte, que permitieron contextualizar el proyecto en un marco de referencia acorde con

las tecnologías, protocolos y equipos actualmente disponibles; lo cual comprende un

campo de suprema importancia, ya que a partir de estos parámetros se establecen nuevas

restricciones y se define la mayoría de los aspectos de interconexión y operación de la red.

En relación al desempeño de las celdas de las redes de comunicaciones LAN y WAN, se

puede concluir que la implementación de una red WiFi como red de área local implica una

restricción en el radio de la celda. Según los modelos de propagación utilizados, la


cobertura máxima de la celda que asegura una correcta recepción de la información es de

100 metros para ambientes suburbanos y de 75 metros para ambientes urbanos, estos

implica una implementación de 450 APs, sin embargo, sería posible reducir el número de

concentradores si se utilizara una tecnología con mayor cobertura para la red LAN.

De acuerdo a la información encontrada sobre los medidores inteligentes disponibles en el

mercado, se puede observar que la mayoría implementan la tecnología PLC o las

tecnologías 3G para la red de área local debido a la cobertura y capacidad que ofrecen

estas tecnologías.

Por otro lado, con respecto a la celda WiMAX se puede concluir que ofrece una capacidad

y cobertura adecuadas para la implementación de una red AMI, además permite la

escalabilidad de la red ya que su cobertura puede aumentar implementando una antena

con mayor potencia. Sin embargo, ésta tecnología resulta muy costosa por lo que podría

ser remplazada por LTE, ya que es una tecnología que ofrece ventajas similares a las de

WiMAX y se extiende cada vez más alrededor del mundo.

En caso de que el proyecto sea ejecutado en una obra real, se hace necesario considerar

que posibilidad existe de ejecutar el mismo proyecto en diferentes localidades de la

ciudad. Lo anterior, para que el grupo de ingenieros que realicen la planeación de

distribución de anchos de banda a cada uno de los Acess Point, para su operación, tengan

en cuenta que el proyecto se puede expandir a lo largo de la ciudad y se debe hacer una

asignación de frecuencias idónea evitando interferencia entre diferentes Access Points y

en las celdas de cobertura de asociada a cada uno. Una expansión de la implementación

física del proyecto, no tiene porque colapsar la red.

Para poder hacer la instalación y diseño de una red de comunicaciones para medidores

inteligentes es necesario muchas veces tener en cuenta la reglamentación que hay en

cada país para el uso del espectro electromagnético. Esto debido a que el uso de una

banda de frecuencia y por ende unos canales en dicha banda siempre está reglamentada

en cada país para impedir que haya un exceso de dispositivos y redes locales sobre una

banda, para así reducir interferencias de algún tipo en redes necesarias para otro tipo de

aplicaciones. El ente de control de cada país tiene una reglamentación sobre el uso de

diferentes canales en una banda base, por ejemplo en Colombia hay unas bandas que no

están disponibles para el uso comercial debido a que en estas bandas ya hay montada

varias redes como por ejemplo, redes de televisión, militar etc. Antes de hacer la

planeación de frecuencias para una red LAN de medidores y de Access Point es necesario

ver que frecuencias y canales están disponibles para uso comercial y cuales necesitan

licencia para ser usadas.


La interoperabilidad de una red de comunicaciones para medidores inteligentes hace

referencia a la capacidad de una red con un protocolo de comunicaciones y tecnologías de

comunicación, para adaptarse y para funcionar conjuntamente con redes que ya estén

implementadas sin tener que hacer instalación y cambios drásticos en todo el diseño.

Además de esto es necesario que dicha red que se va a instalar pueda ser adaptable a

redes futuras que se podrían implementar. Es decir siempre es necesario hacer una

planeación de interoperabilidad con otras redes y otro tipo de medidores para así tener

una red amplia y completa que comprenda otras tecnologías y protocolos de

comunicaciones sin pérdida de datos o interferencias.

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