Internet of Things-aided Smart Grid: Technologies, Architectures, Applications, Prototypes, and Future Research Directions

Traditional power grids are being transformed into Smart Grids (SGs) to address the issues in existing power system due to uni-directional information flow, energy wastage, growing energy demand, reliability and security. SGs offer bi-directional energy flow between service providers and consumers, involving power generation, transmission, distribution and utilization systems. SGs employ various devices for the monitoring, analysis and control of the grid, deployed at power plants, distribution centers and in consumers' premises in a very large number. Hence, an SG requires connectivity, automation and the tracking of such devices. This is achieved with the help of Internet of Things (IoT). IoT helps SG systems to support various network functions throughout the generation, transmission, distribution and consumption of energy by incorporating IoT devices (such as sensors, actuators and smart meters), as well as by providing the connectivity, automation and tracking for such devices. In this paper, we provide a comprehensive survey on IoT-aided SG systems, which includes the existing architectures, applications and prototypes of IoT-aided SG systems. This survey also highlights the open issues, challenges and future research directions for IoT-aided SG systems

A Review on Energy Consumption Optimization Techniques in IoT Based Smart Building Environments

In recent years, due to the unnecessary wastage of electrical energy in residential buildings, the requirement of energy optimization and user comfort has gained vital importance. In the literature, various techniques have been proposed addressing the energy optimization problem. The goal of each technique was to maintain a balance between user comfort and energy requirements such that the user can achieve the desired comfort level with the minimum amount of energy consumption. Researchers have addressed the issue with the help of different optimization algorithms and variations in the parameters to reduce energy consumption. To the best of our knowledge, this problem is not solved yet due to its challenging nature. The gap in the literature is due to the advancements in the technology and drawbacks of the optimization algorithms and the introduction of different new optimization algorithms. Further, many newly proposed optimization algorithms which have produced better accuracy on the benchmark instances but have not been applied yet for the optimization of energy consumption in smart homes. In this paper, we have carried out a detailed literature review of the techniques used for the optimization of energy consumption and scheduling in smart homes. The detailed discussion has been carried out on different factors contributing towards thermal comfort, visual comfort, and air quality comfort. We have also reviewed the fog and edge computing techniques used in smart homes

Economic analysis of wireless sensor-based services in the framework of the Internet of Things. A game-theoretical approach

El mundo de las telecomunicaciones está cambiando de un escenario donde únicamente las personas estaban conectadas a un modelo donde prácticamente todos los dispositivos y sensores se encuentran conectados, también conocido como Internet de las cosas (IoT), donde miles de millones de dispositivos se conectarán a Internet a través de conexiones móviles y redes fijas. En este contexto, hay muchos retos que superar, desde el desarrollo de nuevos estándares de comunicación al estudio de la viabilidad económica de los posibles escenarios futuros. En esta tesis nos hemos centrado en el estudio de la viabilidad económica de diferentes escenarios mediante el uso de conceptos de microeconomía, teoría de juegos, optimización no lineal, economía de redes y redes inalámbricas. La tesis analiza la transición desde redes centradas en el servicio de tráfico HTC a redes centradas en tráfico MTC desde un punto de vista económico. El primer escenario ha sido diseñado para centrarse en las primeras etapas de la transición, en la que ambos tipos de tráfico son servidos bajo la misma infraestructura de red. En el segundo escenario analizamos la siguiente etapa, en la que el servicio a los usuarios MTC se realiza mediante una infraestructura dedicada. Finalmente, el tercer escenario analiza la provisión de servicios basados en MTC a usuarios finales, mediante la infraestructura analizada en el escenario anterior. Gracias al análisis de todos los escenarios, hemos observado que la transición de redes centradas en usuarios HTC a redes MTC es posible y que la provisión de servicios en tales escenarios es viable. Además, hemos observado que el comportamiento de los usuarios es esencial para determinar la viabilidad de los diferentes modelos de negocio, y por tanto, es necesario estudiar el comportamiento y las preferencias de los usuarios en profundidad en estudios futuros. Específicamente, los factores más relevantes son la sensibilidad de los usuarios al retardo en los datos recopilados por los sensores y la cantidad de los mismos. También hemos observado que la diferenciación del tráfico en categorías mejora el uso de las redes y permite crear nuevos servicios empleando datos que, de otro modo, no se aprovecharían, lo cual nos permite mejorar la monetización de la infraestructura. También hemos demostrado que la provisión de capacidad es un mecanismo válido, alternativo a la fijación de precios, para la optimización de los beneficios de los proveedores de servicio. Finalmente, se ha demostrado que es posible crear roles específicos para ofrecer servicios IoT en el mercado de las telecomunicaciones, específicamente, los IoT-SPs, que proporcionan servicios basados en sensores inalámbricos utilizando infraestructuras de acceso de terceros y sus propias redes de sensores. En resumen, en esta tesis hemos intentado demostrar la viabilidad económica de modelos de negocio basados en redes futuras IoT, así como la aparición de nuevas oportunidades y roles de negocio, lo cual nos permite justificar económicamente el desarrollo y la implementación de las tecnologías necesarias para ofrecer servicios de acceso inalámbrico masivo a dispositivos MTC.The communications world is moving from a standalone devices scenario to a all-connected scenario known as Internet of Things (IoT), where billions of devices will be connected to the Internet through mobile and fixed networks. In this context, there are several challenges to face, from the development of new standards to the study of the economical viability of the different future scenarios. In this dissertation we have focused on the study of the economic viability of different scenarios using concepts of microeconomics, game theory, non-linear optimization, network economics and wireless networks. The dissertation analyzes the transition from a Human Type Communications (HTC) to a Machine Type Communications (MTC) centered network from an economic point of view. The first scenario is designed to focus on the first stages of the transition, where HTC and MTC traffic are served on a common network infrastructure. The second scenario analyzes the provision of connectivity service to MTC users using a dedicated network infrastructure, while the third stage is centered in the analysis of the provision of services based on the MTC data over the infrastructure studied in the previous scenario. Thanks to the analysis of all the scenarios we have observed that the transition from HTC users-centered networks to MTC networks is possible and that the provision of services in such scenarios is viable. In addition, we have observed that the behavior of the users is essential in order to determine the viability of a business model, and therefore, it is needed to study their behavior and preferences in depth in future studios. Specifically, the most relevant factors are the sensitivity of the users to the delay and to the amount of data gathered by the sensors. We also have observed that the differentiation of the traffic in categories improves the usage of the networks and allows to create new services thanks to the data that otherwise would not be used, improving the monetization of the infrastructure and the data. In addition, we have shown that the capacity provision is a valid mechanism for providers' profit optimization, as an alternative to the pricing mechanisms. Finally, it has been demonstrated that it is possible to create dedicated roles to offer IoT services in the telecommunications market, specifically, the IoT-SPs, which provide wireless-sensor-based services to the final users using a third party infrastructure. Summarizing, this dissertation tries to demonstrate the economic viability of the future IoT networks business models as well as the emergence of new business opportunities and roles in order to justify economically the development and implementation of the new technologies required to offer massive wireless access to machine devices.El món de les telecomunicacions està canviant d'un escenari on únicament les persones estaven connectades a un model on pràcticament tots els dispositius i sensors es troben connectats, també conegut com a Internet de les Coses (IoT) , on milers de milions de dispositius es connectaran a Internet a través de connexions mòbils i xarxes fixes. En aquest context, hi ha molts reptes que superar, des del desenrotllament de nous estàndards de comunicació a l'estudi de la viabilitat econòmica dels possibles escenaris futurs. En aquesta tesi ens hem centrat en l'estudi de la viabilitat econòmica de diferents escenaris per mitjà de l'ús de conceptes de microeconomia, teoria de jocs, optimització no lineal, economia de xarxes i xarxes inalàmbriques. La tesi analitza la transició des de xarxes centrades en el servici de tràfic HTC a xarxes centrades en tràfic MTC des d'un punt de vista econòmic. El primer escenari ha sigut dissenyat per a centrar-se en les primeres etapes de la transició, en la que ambdós tipus de tràfic són servits davall la mateixa infraestructura de xarxa. En el segon escenari analitzem la següent etapa, en la que el servici als usuaris MTC es realitza per mitjà d'una infraestructura dedicada. Finalment, el tercer escenari analitza la provisió de servicis basats en MTC a usuaris finals, per mitjà de la infraestructura analitzada en l'escenari anterior. Als paràgrafs següents es descriu amb més detall cada escenari. Gràcies a l'anàlisi de tots els escenaris, hem observat que la transició de xarxes centrades en usuaris HTC a xarxes MTC és possible i que la provisió de servicis en tals escenaris és viable. A més a més, hem observat que el comportament dels usuaris és essencial per a determinar la viabilitat dels diferents models de negoci, i per tant, és necessari estudiar el comportament i les preferències dels usuaris en profunditat en estudis futurs. Específicament, els factors més rellevants són la sensibilitat dels usuaris al retard en les dades recopilats pels sensors i la quantitat dels mateixos. També hem observat que la diferenciació del tràfic en categories millora l'ús de les xarxes i permet crear nous servicis emprant dades que, d'una altra manera, no s'aprofitarien, la qual cosa ens permet millorar la monetització de la infraestructura. També hem demostrat que la provisió de capacitat és un mecanisme vàlid, alternatiu a la fixació de preus, per a l'optimització dels beneficis dels proveïdors de servici. Finalment, s'ha demostrat que és possible crear rols específics per a oferir servicis IoT en el mercat de les telecomunicacions, específicament, els IoT-SPs, que proporcionen servicis basats en sensors inalàmbrics utilitzant infraestructures d'accés de tercers i les seues pròpies xarxes de sensors. En resum, en aquesta tesi hem intentat demostrar la viabilitat econòmica de models de negoci basats en xarxes futures IoT, així com l'aparició de noves oportunitats i rols de negoci, la qual cosa ens permet justificar econòmicament el desenrotllament i la implementació de les tecnologies necessàries per a oferir servicis d'accés inalàmbric massiu a dispositius MTC.Sanchis Cano, Á. (2018). Economic analysis of wireless sensor-based services in the framework of the Internet of Things. A game-theoretical approach [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/102642TESI

Cellular networks for smart grid communication

The next-generation electric power system, known as smart grid, relies on a robust and reliable underlying communication infrastructure to improve the efficiency of electricity distribution. Cellular networks, e.g., LTE/LTE-A systems, appear as a promising technology to facilitate the smart grid evolution. Their inherent performance characteristics and well-established ecosystem could potentially unlock unprecedented use cases, enabling real-time and autonomous distribution grid operations. However, cellular technology was not originally intended for smart grid communication, associated with highly-reliable message exchange and massive device connectivity requirements. The fundamental differences between smart grid and human-type communication challenge the classical design of cellular networks and introduce important research questions that have not been sufficiently addressed so far. Motivated by these challenges, this doctoral thesis investigates novel radio access network (RAN) design principles and performance analysis for the seamless integration of smart grid traffic in future cellular networks. Specifically, we focus on addressing the fundamental RAN problems of network scalability in massive smart grid deployments and radio resource management for smart grid and human-type traffic. The main objective of the thesis lies on the design, analysis and performance evaluation of RAN mechanisms that would render cellular networks the key enabler for emerging smart grid applications. The first part of the thesis addresses the radio access limitations in LTE-based networks for reliable and scalable smart grid communication. We first identify the congestion problem in LTE random access that arises in large-scale smart grid deployments. To overcome this, a novel random access mechanism is proposed that can efficiently support real-time distribution automation services with negligible impact on the background traffic. Motivated by the stringent reliability requirements of various smart grid operations, we then develop an analytical model of the LTE random access procedure that allows us to assess the performance of event-based monitoring traffic under various load conditions and network configurations. We further extend our analysis to include the relation between the cell size and the availability of orthogonal random access resources and we identify an additional challenge for reliable smart grid connectivity. To this end, we devise an interference- and load-aware cell planning mechanism that enhances reliability in substation automation services. Finally, we couple the problem of state estimation in wide-area monitoring systems with the reliability challenges in information acquisition. Using our developed analytical framework, we quantify the impact of imperfect communication reliability in the state estimation accuracy and we provide useful insights for the design of reliability-aware state estimators. The second part of the thesis builds on the previous one and focuses on the RAN problem of resource scheduling and sharing for smart grid and human-type traffic. We introduce a novel scheduler that achieves low latency for distribution automation traffic while resource allocation is performed in a way that keeps the degradation of cellular users at a minimum level. In addition, we investigate the benefits of Device-to-Device (D2D) transmission mode for event-based message exchange in substation automation scenarios. We design a joint mode selection and resource allocation mechanism which results in higher data rates with respect to the conventional transmission mode via the base station. An orthogonal resource partition scheme between cellular and D2D links is further proposed to prevent the underutilization of the scarce cellular spectrum. The research findings of this thesis aim to deliver novel solutions to important RAN performance issues that arise when cellular networks support smart grid communication.Las redes celulares, p.e., los sistemas LTE/LTE-A, aparecen como una tecnología prometedora para facilitar la evolución de la próxima generación del sistema eléctrico de potencia, conocido como smart grid (SG). Sin embargo, la tecnología celular no fue pensada originalmente para las comunicaciones en la SG, asociadas con el intercambio fiable de mensajes y con requisitos de conectividad de un número masivo de dispositivos. Las diferencias fundamentales entre las comunicaciones en la SG y la comunicación de tipo humano desafían el diseño clásico de las redes celulares e introducen importantes cuestiones de investigación que hasta ahora no se han abordado suficientemente. Motivada por estos retos, esta tesis doctoral investiga los principios de diseño y analiza el rendimiento de una nueva red de acceso radio (RAN) que permita una integración perfecta del tráfico de la SG en las redes celulares futuras. Nos centramos en los problemas fundamentales de escalabilidad de la RAN en despliegues de SG masivos, y en la gestión de los recursos radio para la integración del tráfico de la SG con el tráfico de tipo humano. El objetivo principal de la tesis consiste en el diseño, el análisis y la evaluación del rendimiento de los mecanismos de las RAN que convertirán a las redes celulares en el elemento clave para las aplicaciones emergentes de las SGs. La primera parte de la tesis aborda las limitaciones del acceso radio en redes LTE para la comunicación fiable y escalable en SGs. En primer lugar, identificamos el problema de congestión en el acceso aleatorio de LTE que aparece en los despliegues de SGs a gran escala. Para superar este problema, se propone un nuevo mecanismo de acceso aleatorio que permite soportar de forma eficiente los servicios de automatización de la distribución eléctrica en tiempo real, con un impacto insignificante en el tráfico de fondo. Motivados por los estrictos requisitos de fiabilidad de las diversas operaciones en la SG, desarrollamos un modelo analítico del procedimiento de acceso aleatorio de LTE que nos permite evaluar el rendimiento del tráfico de monitorización de la red eléctrica basado en eventos bajo diversas condiciones de carga y configuraciones de red. Además, ampliamos nuestro análisis para incluir la relación entre el tamaño de celda y la disponibilidad de recursos de acceso aleatorio ortogonales, e identificamos un reto adicional para la conectividad fiable en la SG. Con este fin, diseñamos un mecanismo de planificación celular que tiene en cuenta las interferencias y la carga de la red, y que mejora la fiabilidad en los servicios de automatización de las subestaciones eléctricas. Finalmente, combinamos el problema de la estimación de estado en sistemas de monitorización de redes eléctricas de área amplia con los retos de fiabilidad en la adquisición de la información. Utilizando el modelo analítico desarrollado, cuantificamos el impacto de la baja fiabilidad en las comunicaciones sobre la precisión de la estimación de estado. La segunda parte de la tesis se centra en el problema de scheduling y compartición de recursos en la RAN para el tráfico de SG y el tráfico de tipo humano. Presentamos un nuevo scheduler que proporciona baja latencia para el tráfico de automatización de la distribución eléctrica, mientras que la asignación de recursos se realiza de un modo que mantiene la degradación de los usuarios celulares en un nivel mínimo. Además, investigamos los beneficios del modo de transmisión Device-to-Device (D2D) en el intercambio de mensajes basados en eventos en escenarios de automatización de subestaciones eléctricas. Diseñamos un mecanismo conjunto de asignación de recursos y selección de modo que da como resultado tasas de datos más elevadas con respecto al modo de transmisión convencional a través de la estación base. Finalmente, se propone un esquema de partición de recursos ortogonales entre enlaces celulares y D2Postprint (published version

Sub-GHz LPWAN network coexistence, management and virtualization : an overview and open research challenges

The IoT domain is characterized by many applications that require low-bandwidth communications over a long range, at a low cost and at low power. Low power wide area networks (LPWANs) fulfill these requirements by using sub-GHz radio frequencies (typically 433 or 868 MHz) with typical transmission ranges in the order of 1 up to 50 km. As a result, a single base station can cover large areas and can support high numbers of connected devices (> 1000 per base station). Notorious initiatives in this domain are LoRa, Sigfox and the upcoming IEEE 802.11ah (or "HaLow") standard. Although these new technologies have the potential to significantly impact many IoT deployments, the current market is very fragmented and many challenges exists related to deployment, scalability, management and coexistence aspects, making adoption of these technologies difficult for many companies. To remedy this, this paper proposes a conceptual framework to improve the performance of LPWAN networks through in-network optimization, cross-technology coexistence and cooperation and virtualization of management functions. In addition, the paper gives an overview of state of the art solutions and identifies open challenges for each of these aspects