Χρονοπρογραμματισμός TDMA σε δενδρικές αρχιτεκτονικές ευφυών δικτύων πολλαπλών υπηρεσιών βασισμένων στο πρότυπο IEEE 1901

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ενός βέλτιστου αλγορίθμου προγραμματισμού TDMA (Time Division Multiple Access) για επικοινωνία μέσω γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας (PLC –Power Line Communications) που εφαρμόζεται στη λειτουργία ευφυών δικτύων (Smart Grids) που υποστηρίζουν πολλαπλές υπηρεσίες (multi service). Η τεχνολογία PLC επιτρέπει την ευρυζωνική μετάδοση πληροφορίας πάνω από γραμμές μεταφοράς σε υπάρχοντα ηλεκτρικά δίκτυα. Από τη χρήση της τεχνολογίας αυτής προκύπτει η έννοια του ευφυούς δικτύου το οποίο προσφέρει τόσο τηλεπικοινωνιακές δυνατότητες, όσο και δυνατότητες αποτελεσματικής διαχείρισης και ελέγχου στις επιχειρήσεις ηλεκτρικής ενέργειας οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν τόσο σε παραδοσιακές όσο και σε εναλλακτικές μορφές ενέργειας. Στοχεύοντας στην ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης μετάδοσης των δεδομένων που παράγονται από τις συσκευές που λειτουργούν στο ευφυές δίκτυο και τις άμβλυνσης της δυσμενούς επίδρασης των ετερογενών συσκευών και υπηρεσιών που υποστηρίζει το δίκτυο, υλοποιήθηκε ένα ισχυρό σύστημα προγραμματισμού TDMA ικανό να παρέχει αποδοτική επικοινωνία με βάση την καθυστέρηση και να ικανοποιεί τις απαιτήσεις ποιότητας από άκρο σε άκρο όλου του δικτύου. Μέσω διεξοδικής μελέτης των αλγορίθμων και της πολυπλοκότητας διαφορετικών τεχνικών βελτιστοποίησης του δικτύου η προσέγγιση που επιλέχθηκε συνδυάζει αποδοτικά τόσο την εισαγωγή υπηρεσιών πολλαπλών απαιτήσεων όσο και τις απαιτήσεις ποιότητας και καθυστέρησης των εφαρμογών στο ευφυές δίκτυο. Από τις προσομοιώσεις πλήρους και μη συναθροισμένης κίνησης δεδομένων, σε τοπολογίες διαφόρων χαρακτηριστικών (με βάση τις διαφορετικές απαιτήσεις των εφαρμογών σε αγροτικά και αστικά δίκτυα), παρατηρήθηκε πως ο προτεινόμενος αλγόριθμος βελτιώνει σημαντικά τόσο το ρυθμό διέλευσης των δεδομένων όσο και την κατανάλωση ισχύος του δικτύου για τις περιπτώσεις πλήρους συνάθροισης δεδομένων, το οποίο οδηγεί σε σημαντική μείωση της καθυστέρησης μετάδοσης και εξοικονόμηση ενέργειας.

The objective of this diploma thesis was the design and implementation of an optimal TDMA (Time Division Multiple Access) schedule of networking BPL (Broadband over Power Lines) units, operating in the framework of a multi service Smart Grid. BPL technology is a method of power line communication that allows relatively high speed digital data transmission over the public electric power distribution wiring. The use of BPL technology results the concept of Smart Grid, that offers both telecommunication services and opportunities of effective management and control to the utilities which can be applied both in traditional and alternative energy sources. Targeting at the minimization of the delivery delay of the data generated by the Smart Grid actors and the mitigation of the detrimental effect of actors and services heterogeneity, a robust scheduling scheme was formulated, able to provide delay efficient communications satisfying end to end QoS (Quality of Service) requirements. A thorough comparative research study was performed and the appropriate approach to the addressed problem combines both efficient introduction of multi service applications in the Smart Grid and different demands in terms of delay and QoS. The simulation results of full and no aggregated traffic in topologies with different characteristics (based on the different requirements of applications in rural and urban Smart Grids), showed that the proposed TDMA scheduling algorithm using full aggregated traffic significantly improves both data throughput and power consumption, which leads to significant reduction of transmission delay and energy saving.