Vesijohtoverkoston tiedonsiirtoprotokollan valinta
Snellman, Eeva-Kaisa (2023)
Snellman, Eeva-Kaisa
2023
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-02-21
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202301121357
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202301121357
Tiivistelmä
Vesilaitokset ovat havahtuneet ikääntyvien verkostojen kohtaamiin haasteisiin, joita ovat mm. putkivuodot ja -rikot. Älyvesisovellukset, kuten digitaalinen mittaaminen ja analytiikka, voivat olla osa ratkaisua näihin haasteisiin. Niiden avulla vuodot voidaan havaita aikaisemmin ja täten vähentää tuottamattoman veden määrää. Vesihuollon toimintaympäristö asettaa omat vaatimuksensa tiedonsiirtoverkolle. Tämän diplomityön tarkoitus on selvittää älyvesiverkoston tiedonsiirtoprotokollan valintaprosessin vaiheet ja vaatimukset ja mitä valintaprosessissa tulee huomioida. Työssä keskitytään erityisesti vesihuollon toimintaympäristöön ja sen asettamiin vaatimuksiin.
Tutkimus toteutetaan kirjallisuusselvityksenä, jossa kerätään tutkimustuloksia aikaisemmista tiedonsiirtoprotokollia vertailevista tutkimuksista. Ensin selvitetään suomalaisen vesihuollon toimintaympäristö, johon älyvesimittarit ja tiedonsiirtoprotokolla tuodaan. Tutustutaan myös älykaupungin ja älyveden käsitteisiin ja IoT:n ja ICT:n rooliin vesihuollon digitalisaatiossa. Sen jälkeen tarkastellaan tiedonsiirtoprotokollien yleisiä ominaisuuksia ja niiden sovelluksia. Myöhemmin syvennytään yksittäisten protokollien erityispiirteisiin. Tiedonsiirtoprotokollat, joita tässä työssä tutkitaan tarkemmin, ovat LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT, Ingenu RPMA, DASH7, Weightless-P, Symphony Link ja Wireless M-Bus.
Tutkimustuloksena on selvitys tiedonsiirtoprotokollan valintaan vaikuttavista kriteereistä ja parametreistä. Tuloksissa osoitetaan erityisesti se, mitä vesihuollon vaatimukset tiedonsiirtoverkolle ovat. Osana tulosten tulkintaa ovat protokollavaihtoehtojen vertailu sekä tulosten pohjalta esitetyn päätöksentekoprosessin kuvaus. Protokollien välillä havaittiin sekä yhtäläisyyksiä että eroavaisuuksia. Tutkimuksen aikana esille nousseita valintaprosessiin vaikuttavia tekijöitä puolestaan ovat energiatehokkuus, kantama, rakenteellinen skaalautuvuus, laitteiden edullisuus, luotettavuus ja suorituskyky niin UL- kuin DL-suuntaan.
Tutkimuksen aikana ilmeni, että tiedonsiirtoprotokollan valintaprosessi vaihtelee tapauskohtaisesti, eikä ole olemassa yhtä kaikkiin tilanteisiin sopivaa tiedonsiirtoprotokollaa. Tiedonsiirtoprotokollaa valittaessa tehdään useita pienempiä valintoja. On valittava lisenssivapaan ja lisensoidun kaistan välillä. Tätä seuraa tarkempi taajuuskaistan valinta valitulta alueelta eli määritellään verkon operointitaajuus ja kaistanleveys. Sitten valittavana on modulaatiotekniikka ja kanavan käyttömetodi. On myös valittava, onko tiedonsiirto yksi- vai kaksisuuntaista. Päätettävänä on myös, annetaanko infrastruktuurin käyttöönotto ja ylläpito palveluntarjoajan vastuulle vai halutaanko mahdollisuus rakentaa oma tiedonsiirtoverkko.
Tutkimus toteutetaan kirjallisuusselvityksenä, jossa kerätään tutkimustuloksia aikaisemmista tiedonsiirtoprotokollia vertailevista tutkimuksista. Ensin selvitetään suomalaisen vesihuollon toimintaympäristö, johon älyvesimittarit ja tiedonsiirtoprotokolla tuodaan. Tutustutaan myös älykaupungin ja älyveden käsitteisiin ja IoT:n ja ICT:n rooliin vesihuollon digitalisaatiossa. Sen jälkeen tarkastellaan tiedonsiirtoprotokollien yleisiä ominaisuuksia ja niiden sovelluksia. Myöhemmin syvennytään yksittäisten protokollien erityispiirteisiin. Tiedonsiirtoprotokollat, joita tässä työssä tutkitaan tarkemmin, ovat LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT, Ingenu RPMA, DASH7, Weightless-P, Symphony Link ja Wireless M-Bus.
Tutkimustuloksena on selvitys tiedonsiirtoprotokollan valintaan vaikuttavista kriteereistä ja parametreistä. Tuloksissa osoitetaan erityisesti se, mitä vesihuollon vaatimukset tiedonsiirtoverkolle ovat. Osana tulosten tulkintaa ovat protokollavaihtoehtojen vertailu sekä tulosten pohjalta esitetyn päätöksentekoprosessin kuvaus. Protokollien välillä havaittiin sekä yhtäläisyyksiä että eroavaisuuksia. Tutkimuksen aikana esille nousseita valintaprosessiin vaikuttavia tekijöitä puolestaan ovat energiatehokkuus, kantama, rakenteellinen skaalautuvuus, laitteiden edullisuus, luotettavuus ja suorituskyky niin UL- kuin DL-suuntaan.
Tutkimuksen aikana ilmeni, että tiedonsiirtoprotokollan valintaprosessi vaihtelee tapauskohtaisesti, eikä ole olemassa yhtä kaikkiin tilanteisiin sopivaa tiedonsiirtoprotokollaa. Tiedonsiirtoprotokollaa valittaessa tehdään useita pienempiä valintoja. On valittava lisenssivapaan ja lisensoidun kaistan välillä. Tätä seuraa tarkempi taajuuskaistan valinta valitulta alueelta eli määritellään verkon operointitaajuus ja kaistanleveys. Sitten valittavana on modulaatiotekniikka ja kanavan käyttömetodi. On myös valittava, onko tiedonsiirto yksi- vai kaksisuuntaista. Päätettävänä on myös, annetaanko infrastruktuurin käyttöönotto ja ylläpito palveluntarjoajan vastuulle vai halutaanko mahdollisuus rakentaa oma tiedonsiirtoverkko.