AKTUELLE ENTWICKLUNG BEI KOMMERZIELLEN FUNKNETZEN (VON CSD ZU LTE) XXII. Zähler-Fachtagung

27./28. Oktober 2015 in Friedrichroda

VON CSD ZU LTE

Paketorientierte Dienste

1996 2000 2006 2004 2007 2010/14 2017?

GSM/CSD (2G)

9,6kbit/s

GPRS (2,5G)

9-55kbit/s

EDGE (2,75G)

bis

220kbit/s

UMTS (3G)

bis

384kbit/s

HSPA (3,5G)

bis

14,4Mbit/s

Date

nd

urc

hs

atz

LTE

LTE – Adv.

(3,9G / 4G)

bis

300Mbit/s

LTE-Adv. (4G)

CAT 0

LTE-M (M2M / IoT)

2

» GSM/CSD (circuit switched data) - leitungsvermittelter Datendienst

• „klassische“ Punkt zu Punkt Verbindung

• Eine Datenverbindung wird via Wählverbindung aufgebaut.

• Das GSM Übertragungsverfahren und das Modulationsverfahren ist in erster Linie auf Sprachübertragungen ausgelegt.

• Eigener Kanal (Volle Ressourcen, kein shared Medium)

• Übertragungsgeschwindigkeit 9600Bd (RLP)

• Modem-Einwahl ist langsam und ggf. teuer (Funkkanal wird auch reserviert, wenn keine Daten gesendet oder empfangen werden).

VON CSD ZU LTE

3

MNS – SIM-Karte Multi numbering scheme

Separate MSISDN

Nummern für jeden Service

einzeln hinterlegt im home

location register (HLR)

d.h. 3 Rufnummern

pro SIM-Karte

(Sprache, Fax, Daten)

Einführung: seit Beginn der

GSM Ära

SNS – SIM-Karte Single numbering scheme

1 MSISDN Nummer für alle

Services

Diensterkennung (Bearer

Service) über UDI/RDI

Protokoll

Einführung: in Deutschland

ca. seit 2005

CSD - AB 2005 UMSTELLUNG AUF SNS

4

» Im Jahr 2010 gab es bereits einen

Technologiewechsel in den Mobilfunknetzen mit

erhebliche Auswirkungen auf den GSM/CSD-Dienst.

• Die Folge war, dass zahlreiche fernauslesbare Zähler

nicht mehr richtig funktionierten.

• Eine höhere Round Trip Time (RTT) im Mobilfunknetz

war die Ursache.

• Eine Time Out-Anpassung in der Anwendung (Zähler /

Leitstelle) war in vielen Fällen erforderlich.

CSD - NEUE ROUND TRIP ZEIT

5

» CSD-Umstellung im GSM-Mobilfunknetz

• Round Trip Time (RTT) ist die Zeitspanne, die

erforderlich ist, um ein Signal von einer Quelle über

das Netzwerk zum Empfänger zu senden und das

Signal des Empfängers über das Netzwerk zurück

zum Sender zu transportieren.

• Im 3GPP-Standard für den CSD-Dienst ist eine RTT

von bis zu 8 Sekunden definiert. Die bis dato

eingesetzte Technik (R99) in den GSM-

Mobilfunknetzen hat diese Spanne bei weitem nicht

ausgeschöpft.

CSD - NEUE ROUND TRIP ZEIT

6

» CSD-Umstellung im GSM-Mobilfunknetz

• Das DIN EN 61107 Zählerprotokoll definiert das Zeitfenster

auf 1,5 Sek. in welchem das Antworttelegramm eingetroffen

sein muss. Zähler Leitstelle

max. 1,5 Sek

/? [Geräteadr.] ! CR LF

/ XXX (Ident) Z (Baudrate) CR LF

ACK 0 Z 0

STX

Verrechnungsdatensatz

CSD - NEUE ROUND TRIP ZEIT

7

» Telekom u. Vodafone stellten ihr Kernnetz

nicht komplett auf IP um, sondern im Network Layer

auf den Zwischenschritt SIGTRAN UDI.

• Neue Round Trip Time:

- für Festnetz ins GSM-Netz ca. 1100ms

- für GSM zu GSM ca. 1450ms

• CSD-Umstellung der Telekom wurde im August 2011

abgeschlossen.

• CSD-Umstellung Vodafone wurde zum 31.12.2011

abgeschlossen.

CSD - NEUE ROUND TRIP ZEIT

8

» NGN - Umstellung der Telekom

• Zum jetzigen Zeitpunkt hat der CSD-Dienst im Mobilfunk gemäß Telekom AG bis Ende 2018 Bestandsschutz.

• Die Telekom setzt für diese Technologie Hardware von Nokia ein, die wiederum den Support dafür einstellen werden (End-of-Life).

• Migration zur All-IP Plattform (ohne Medienbrüchen)

• Weltweit haben große Provider wie z.B. AT&T den “2G Sunset” für M2M-Dienste angekündigt.

CSD BIS ENDE 2018

9

» GPRS -> General Packet Radio Service

(Allgemeiner paketorientierter Funkdienst)

• Mobilfunktechnik zur schnelleren Datenübertragung

unter Verwendung von Netzwerkprotokollen (TCP/IP).

• Der GPRS-Dienst verwendet das gleiche

GSM-Mobilfunknetz wie der CSD-Dienst.

• Verbindungslose, paketorientierte Übertragungstechnik

• Für den Teilnehmer wird nicht eine dedizierte Daten-

verbindung aufgebaut, sondern die Teilnehmer einer

Funkzelle teilen sich die Übertragungsressourcen.

GPRS

10

» GPRS -> General Packet Radio Service

(Allgemeiner paketorientierter Funkdienst)

• Datenübertagung in der Praxis 40 bis 50Kbit/s

• Abrechnung nach Datenvolumen und nicht nach

Online-Zeit wie im CSD-Dienst.

• „Always-on-Betrieb“ -> Ständig (virtuell) mit den Zählern

verbunden – keine Verbindungsaufbauzeiten

• Das Modem initiiert die Verbindung zum Provider.

GPRS

11

» GSM/CSD - GPRS

GPRS

12

» Das GPRS-Gerät meldet sich mit entsprechender

Konfiguration automatisch am GPRS-Dienst eines

GSM-Netzes an.

• Verbindungsaufbau zum APN (Access Point Name)

des Providers mit einem Authentifizierungsverfahren.

• Ein Radius Server (Remote Authentication Dial In

User Service) verwaltet den Bereich der IP-Adressen

als auch die Authentifizierung des Gerätes

(Benutzername + Passwort)

• Der Port des GPRS-Gerätes wird vom Betreiber

festgelegt.

GPRS

13

» GPRS-Zugangsparameter (Sparkcom)

APN

PPP-Authentifizierung

PAP/CHAP

PPP Benutzernamen

PPP Passwort

Diese Parameter

kommen vom Provider!

Der Parameter „Port“ kommt von Betreiber!

Listen Mode: Port auf dem das Mobilfunkmodem (Server)

auf eingehende IP-Verbindungsanfragen wartet.

GPRS

14

GPRS LISTEN MODE UND IPT MODE

15

» IPT-Verbindungsparameter (Sparkcom)

• Bei Verwendung des IPT-Modes baut nach der

Anmeldung beim Provider das GPRS-Gerät eine

IP-Telemetrie Verbindung zum IPT Master auf.

GPRS IPT MODE

16

» Das Sparkline III stellt besonders transparent

die Kommunikation im GPRS-Dienst dar.

Beispiele Sparkline III History Report:

TCP - Listen Mode 06.10.15;15:23:51;PPP-Debug: TCP-Listen ready.

06.10.15;15:23:51;PPP-Debug: dns IP= 0.0.0.0

06.10.15;15:23:51;PPP-Debug: our IP= 10.0.48.78

06.10.15;15:23:51;PPP-Debug: new PPP con. established

IPT - Mode 06.10.15;06:03:08;IPT Message: Login successfull

06.10.15;06:03:08;IPT Message: Received LoginResponse

06.10.15;06:03:08;IPT Message: Send LoginRequest

06.10.15;06:03:08;IPT Message: Connect to 212.6.124.88

06.10.15;06:03:05;PPP-Debug: TCP-CON stack ready.

06.10.15;06:03:05;PPP-Debug: dns IP= 139.7.30.126

06.10.15;06:03:05;PPP-Debug: our IP= 109.47.9.170

06.10.15;06:03:05;PPP-Debug: new PPP con. established

SPARKLINE III

17

» Fehlercode-Anzeige

GPRS IPT MODE

18

» GPRS braucht eine Verbindungsüberwachung

• Zwischen dem Mobilfunkmodem und der ZFA besteht

nur eine „virtuelle Verbindung“ (GPRS-Verbindung

„Always on”).

• In Praxis zeigt sich, dass sich die die Latenzzeit erhöht

wenn einige Zeit kein Datenverkehr statt findet.

• Regelmäßiger Datenverkehr sorgt dagegen für kurze

Latenzzeiten.

• Da das Mobilfunkmodem den Verbindungsaufbau zum

GPRS-Provider initiiert, muss das Modem auch ständig

seine Konnektivität überprüfen und ggf. erneut initiieren.

GPRS VERBINDUNGSÜBERWACHUNG

19

» Verbindungsüberwachung

• Im IPT - Protokoll übernimmt eine „watch dog“-Funktion

die Verbindungsüberwachung.

• Im Listen Mode bietet das Sparkline III verschiedene,

eigenständige Möglichkeiten zur Verbindungs-

überwachung.

Auszug History Report Sparkline III 07.10.15;06:51:00;IPT Message: Send WatchdogResponse

07.10.15;06:36:20;IPT Message: Send WatchdogResponse

07.10.15;06:21:40;IPT Message: Send WatchdogResponse

Parametrierprogramm Sparkcom (Sparkline III)

GPRS VERBINDUNGSÜBERWACHUNG

20

Provider - Internet - Anwender

GPRS VERBINDUNGSÜBERWACHUNG

» TCP Listen Mode

21

» VPN (Virtual Privat Network)

• GPRS IP-VPN verursacht geringere Übertragungs-kosten im Vergleich zu reinen VPN-Lösungen, da ohne VPN-Header abgerechnet wird.

• Bei IP-VPN wird im HLR (Home Location Register) des Providers ein neues Recht eingerichtet, das ausschließlich für den Zugang der Leitstelle genutzt wird.

• Anstelle des Standard-APN (Access Point Name), der den Zugang zum Internet darstellt, wird ein eigener APN eingerichtet (z.B. m2m.sw32.cda.vodafone.de)

IP-VPN-Tunnel

GPRS IP-VPN

22

» Datenvolumen eines 4Q-Zählers mit

IEC 1107 Protokoll bei

• 1 x täglicher Auslesung des Lastgangs

• täglicher Synchronisation der Uhrzeit/ Datum

• 1 x monatlicher Verrechnungsdatensatz

• Taktung 1KByte

• TCP Listen Mode

• Stündlicher Verbindungsüberwachung

ca. 350 bis 400KByte pro Monat

GPRS DATENVOLUMEN

23

» IPT-Mode versus Listen Mode

IPT Mode (DIN 43863-4)

• Dynamische und statische vergebene IP Adresse

• IP-Telemetrie-Master erforderlich

• dienstorientiert

• Verbindungsüberwachung übernimmt das IPT Protokoll

• Monitoring mit IPT-Master

• Verschlüsselung möglich

Listen Mode

• Statische IP Adresse

• Mechanismus zur

Verbindungsüber-

wachung stellt das

Mobilfunkmodem

• Monitoring und

Systemadministration

auf der Provider-

Plattform

GPRS MODES

24

» SIM-Karten - Stand der Technik

• Alle Provider bieten inzwischen nationale

Roaming Karten an. D.h. mit diesen SIM-

Karten versucht das Modem sich erst ins

Heimatnetz einzubuchen. Falls die Feld-

stärke unzureichend ist, bucht sich das Modem in ein

stärkeres Partnernetz ein.

• Die Netzbetreiber und auch die M2M Solution

Provider bieten Plattformen zum Monitoring und

Systemadministration an.

GPRS 2015

25

» UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

• Das UMTS-Netz wird in Deutschland nicht weiter

ausgebaut.

• Frequenzband in Deutschland um 2100 MHz.

• Für UMTS ist eine zusammenhängende

Kanalbandbreite von 5 MHz notwendig.

• UMTS im 900-MHz-Band für Mobiltelefone nicht möglich

- Aufteilung des 900-MHz-Bandes wurde für GSM

vorgenommen (Kanalbandbreite 200 kHz).

• UMTS hat hohe Latenzzeiten von bis zu 360 ms.

• Es gibt keinen weltweit einheitlichen UMTS-Standard.

UMTS

26

» LTE „Long Term Evolution“ - „Langzeitentwicklung“

• LTE setzt auf den aktuell vorherrschenden Infrastrukturen der UMTS-Technologie auf.

• 3GPP (3rd Generation Partnership Project) ist das weltweit zuständige Standardisierungs-Gremium für LTE.

• Bei der Konzeption standen die Erhöhung der Kapazität und Geschwindigkeit im Vordergrund d.h. große Bandbreiten und kurze Latenzzeiten.

• LTE definiert eine völlig neue Funkschnittstelle.

- Übertragungsverfahren, Downlink und Uplink unterschiedliche Modulation, eingesetztes Duplex-Verfahren, MIMO (Mehrfach-Antennen-System)

LTE

27

» Die Funktionalität „Carrier-Aggregation“ ist eine Kernkompetenz von LTE-Advanced.

• LTE unterstützt verschiedene Bandbreiten und kann so skalierbar in unterschiedlichen Spektren eingesetzt werden.

» .

LTE – SPEKTRUM FLEXIBILITÄT

28

» LTE-Version (Release) und Geräte-Kategorie (CAT)

• Release-Version (Rel.) - technische Rahmenbedingungen

- maximale Breite des nutzbaren Frequenzspektrums für Down- und Upload und max. Datenübertragungsrate

- MIMO (Mehrantennentechnik, z.B. 4 zu 2)

- Modulationsverfahren (z.B. 16 QAM, 64 QAM)

- Codierung und dem Netzaufbau

• Gerätekategorien (CATegory)

- Differenzierung der unterstützten „Fähigkeiten“ einzelner Endgeräte

LTE IST NICHT GLEICH LTE

29

30

» LTE-Version (Release) und Gerätekategorie (CAT) 3GPP

Release

Geräte-

kategorie

Max. datarate

downlink

Max. datarate

uplink

Anwendung

Rel. 8 CAT 1 10.3 Mbit/s 5.2 Mbit/s IoT u. M2M (MTC)

Rel. 8 CAT 2 51.0 Mbit/s 25.5 Mbit/s Erste Sticks und Router in

Deutschland

Rel. 8 CAT 3 102.0 Mbit/s 51.0 Mbit/s z.B. Vodafone Easybox 904,

Telekom Speedstick II

Rel. 8 CAT 4 150.8 Mbit/s 51.0 Mbit/s z.B. Vodafone Router B3000,

Telekom Speedstick III

Smartphones ab Ende 2013

Rel. 8 CAT 5 299.6 Mbit/s 75.4 Mbit/s

Rel. 10 CAT 6 301.5 Mbit/s 51.0 Mbit/s z.B. Samsung Galaxy Alpha,

Speedbox III, iPhone 6S

LTE Advanced (LTE-A)

LTE - VARIANTEN

» Im Consumer-Bereich wurde

gleich mit CAT 2 gestartet.

» LTE wurde für High-Speed-Leistung optimiert

und nicht für niedrige Geschwindigkeiten.

» Die Netzwerkausrüster sehen erst jetzt großes

Potenzial in der M2M-Kommunikation auf einem LTE-

Netz mit relativ geringen Geschwindigkeiten.

» CAT 1 gewinnt - in Hinsicht auf den IoT und M2M

Markt („low-bit rate“) - an Bedeutung.

D.h. es kommen erst jetzt entsprechende LTE-Module

auf den Markt.

LTE M2M

31

» Markttreiber IoT (Internet of Things)

LTE M2M

Bereits im Jahr

2008 überstieg

die Anzahl der mit

dem Internet

verbunden

„Dinge“ die Anzahl

der Menschen auf

der Erde.

32

» Mit Release 10 kann die Funkschnittstelle mit bis

zu acht Trägern konfiguriert werden, einschließlich

unterschiedlicher Bandbreiten in einem Frequenzband.

Die flexible Art der Bandbreitenzuordung bietet

kostengünstige „Low-Bit rate“ Varianten für den

M2M-Einsatz.

» Tatsächlich gibt es zahlreiche Entwicklungslevel, wobei

einige noch nicht einmal endgültig definiert sind.

LTE M2M

33

» Überblick über neue Funktionen in zukünftiger

LTE-Advanced Entwicklung

Anwendung LTE-Standard

Schmalband IoT (NB-IoT) LTE-M = Machine-to-Machine

Proximity services (ProSe) Nahbereichskommunikationsservices

LTE-D = Device-to-Device (D2D)

(wie vermaschte Netze)

Terrestrial TV LTE-B = Broadcast = eMBMS

Vehicle communication Fahrzeugkommunikation

LTE for V2X (Vehicle-to-X)

communication

Connectivity for public transport Konnektivität für den öffentlichen Verkehr

LTE for Backhauling Wi-Fi access

points

BOS - Breitbandiger Datenfunk für

Behörden und Organisationen mit

Sicherheitsaufgaben

LTE for Public Safety

LTE - NEUE VARIANTEN FÜR M2M

34

» Breitbandiger Datenfunk für Behörden und

Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS)

- wie TETRA-Funk

• Release 12 und zukünftiger Releases berücksichtigen

die Anforderungen von breitbandigen BOS Diensten

(Priorisierung, Group-Call Funktionalität usw.)

• Betrieb von breitbandigem BOS Datendienst

- in dedizierten Netzen

- in national exklusiv zugewiesenem Spektrum

- Betrieb in öffentlichen Mobilfunknetzen mit den

erforderlichen Prioritäten für BOS.

LTE FOR PUBLIC SAFETY

35

» Direkte Kommunikation zwischen 2 Teilnehmern

Device-to-Device (D2D)

LTE-D PROXIMITY SERVICES

36

Teilnehmer 1

Teilnehmer 2

Teilnehmer 1

Teilnehmer 2

» Release 12 (März 2015) „CATegory 0“ definiert eine

neue Gerätekategorie mit stark reduzierten

Anforderungen für den IoT / M2M Markt

• niedrigere Datenrate

• geringere Hardwarekosten

• Einzelantenne (kein Multiple Input

Multiple Output - MIMO)

• Halbduplex (Einsparung einiger HF-Filter da kein

gleichzeitiges Tx-Rx)

• Maximale Transportblockgröße limitiert auf 1000 Bits

LTE - NEUE VARIANTEN FÜR M2M

37

» Mit Ausblick auf ein Millardengeschäft geht die LTE-

Entwicklung für den IoT-Bereich zu Schmalband

NB-IoT (Narrow Band IoT).

» Die Luftschnittstelle kann in mehrere

Schmalbandkanäle mit verschiedenen Frequenzen

aufgeteilt werden ohne grundlegende Änderung in

der Funk-Architektur. Die Bandbreite kann so sehr

flexibel zugeordnet werden und unterstützt somit

ideal IoT - M2M Anwendungen.

LTE - NEUE VARIANTEN FÜR M2M

38

» Release 13 LTE-M(TC) (März 2016) definiert eine

nochmals geringere Komplexität und deckt die

Anforderungen an das Internet der Dinge (NB-IoT) ab.

• Anforderung an die Bitrate wird weiter reduziert.

• NB-IoT, eine neue Schmalband-Funktechnik reduziert

die Bandbreite auf 1,4 MHz downlink und uplink

• die maximale Ausgangsleistung wird weiter reduziert

• die höchsten Modulationsschemata werden

ausgeschlossen

• Sehr niedriger Stromverbrauch (Batterielebensdauer)

• Verbesserte Indoor-Versorgung

LTE - NEUE VARIANTEN FÜR M2M

39

LTE – M2M

LTE-M Release 13 (ca. 30-40Kbit/s)

CAT 0 Release 12 (1Mbit/s)

LTE CAT 4/6

Release 8/10

(300Mbit/s)

Prognostiziertes weltweites Marktvolumen

Anwendungen

Breitband LTE

(Ultra-High-

Performance)

M2M / IoT

M2M / IoT

M2M / IoT

An

ford

eru

ng

en

CAT 1 Release 8 (10Mbit/s)

40

» LTE Zellendichte

• Frequenzbänder unterhalb von 1 GHz haben günstigere Ausbreitungsbedingungen, was größere Funkzellen und eine bessere Indoor-Versorgung ermöglicht.

LTE AUSBREITUNGSEIGENSCHAFTEN

ca. 10 Km

Land

LTE 800 MHz (Band 20) Stadt (Hotspots)

LTE z.B. 2600 MHz (Band 7)

ca. 5 Km

41

» Je niedriger die Frequenz desto höher die Durchdringung durch Gebäude.

• GSM (CSD, GPRS, EDGE) 900 MHz und 1800 MHz

• UMTS 2100 MHz

• LTE 800 MHz (Band 20), 1800 MHz (Band 3), 2600 MHz (Band 7)

Das 800 MHz-Band wurde als „Digitale Dividende“ frei und wird jetzt von allen Netzbetreibern für LTE genutzt. Es ist zurzeit das niederfrequenteste Mobilfunkband in Deutschland.

VON CSD ZU LTE

42

» Die BNetzA versteigerte (27. 05.- 19.06. 2015) weitere

Frequenzen für mobiles LTE-Breitband (Erlös 5,08 Mrd.

Euro).

» Diese Frequenzen liegen im Bereich:

• 700 MHz (bis 2018/19 DVB-T, DVB-T2 <694 MHz)

• 900 MHz (zurzeit GSM)

• 1500 MHz, 1800 MHz (zurzeit GSM)

» Nur die drei großen Mobilfunkanbieter (Deutsche Telekom,

Telefonica, Vodafone) waren als Auktionsteilnehmer

zugelassen.

FREQUENZVERSTEIGERUNG 2015

43

» BITKOM (Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien)

• Internationale Harmonisierung und Standardisierung der Breitband Netze

• International migrieren alle verbreiteten Mobilfunknetze (GSM, UMTS, CDMA, PHS, WiMAX, usw.) zu LTE und seiner Weiterentwicklung. Auch angrenzende Industrien wie Intelligent Transport Systems, Smart Grids und Smart Metering, Railway Communications usw. untersuchen LTE aufgrund seiner universellen Nutzbarkeit auf seine Tauglichkeit hinsichtlich der jeweiligen Kommunikations-anforderungen.

WAS SAGT DIE BITKOM?

44

» Was wir für unsere Zählerbranche brauchen:

• Bei fehlendem LTE Empfang muss ein Rückfall

(Fallback) auf 2G (GPRS/ EDGS) gewährleistet sein.

• Wegen der besseren Durchdringung von Gebäuden

sollte das LTE 800 MHz – Band verfügbar sein.

• Die Kommunikationsmodule für die Modems und

Gateways müssen am Markt verfügbar sein.

• M2M-Geschäftsmodelle der Netzbetreiber

ZÄHLERFERNAUSLESUNG MIT LTE

45

» Abkündigung des CSD-Dienstes

» Die Zählerfernauslesung kann problemlos über den

GPRS - Dienst erfolgen.

» Das GSM-Netz wird unter Umständen in Zukunft

löchriger da GSM-Frequenzbänder für LTE genutzt

werden.

» LTE für M2M ist noch in der Entwicklungsphase.

• Netzbetreiber müssen CAT 0, CAT 1 und LTE M

Funktionalität implementieren

• LTE-Module für die Mobilfunkmodems sind noch zu

teuer. Die nächste Generation wird sukzessiv entwickelt.

» Ziel: Weltweit „LTE only“

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

46

www.itron.com

DANKE FÜRS ZUHÖREN! :-)

ITRON ZÄHLER UND SYSTEMTECHNIK GMBH

Christoph Runge

Brekelbaumstraße 5

D-31789 Hameln

BACK-UP FOLIEN

48

BACK-UP FOLIEN

49

Quelle: http://maxwireless.de