Überlegungen zur Realisierung von Smart-Meter-Anwendungen ... · LTE Band 72 CDMA Band 5 H...
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Wir geben Impulse
Fachhochschule Südwestfalen
Überlegungen zur Realisierung
von Smart-Meter-Anwendungen
über Narrow-Band-LTE-Netze
Christian Lüders
FH Südwestfalen, Breitbandkompetenzzentrum NRW
2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028
Verbrauch 10000 … 20000 kWh/y 1,2 Mio.
Verbrauch 6000 … 10000 kWh/y 2,4 Mio.
Verbrauch > 20000 kWh/y
EEG- und KWK-Anlagen > 7 kW (Nennleistung)
1,0 Mio.
1,0 Mio.
Steuerbare Verbrauchseinrichtungen – § 14a EnWG-Anlagen 2,6 Mio.
Quellen:
BMWi: Baustein für die Energiewende: 7 Eckpunkte für das „Verordnungspaket Intelligente Netze“, 2015
Ernest & Young: Variantenrechnungen von in Diskussion befindlichen Rollout-Strategien
– Ergänzungen zur KNA vom Juli 2013, im Auftrag des BMWi, Dez. 2014
Pilo
t-P
hase
Fe
ld-T
ests
Intelligente Messsysteme – Smart Meter
LTE Band 72
CDMA Band 5 H
450-MHz-Band (UL)
derzeitige Zuteilung bis E2020
450 455
450
con-
nect
Tele-
kom
450
con-
nect
f / MHz
Downlink
10 MHz versetzt
Der Frequenzbereich bei 450 MHz
Funknetze für Energiewirtschaft
• z.B. EWE, Düsseldorfer Netzges., …
• auf Basis CDMA 450
- Bandbreite: 1,25 MHz
- Max. EIRP UL: 23 dBm
- Max. EIRP DL: 55 dBm
Neuvergabe der Frequenzen in 2018 für ≈ 20 Jahre (technologieneutral)
Bedarfsabfrage durch BNetzA ist erfolgt
kritische Infrastrukturen im nationalen Betreibermodel
kritische Infrastrukturen (regional)
exklusiv für BOS und Bundeswehr (national)
Migration
auf LTE450?
1,5 MHz
Machine-Type Communications bei LTE
seit 2012 im Fokus von 3GPP: Release 12 User Equipment Cat-0
3GPP TR 36.888: Study on provision of low-cost MTC UEs based on LTE
LTE-M 1,4-MHz-Träger Coverage Extension (CE) R13/14
LTE-NB-IoT 0,2-MHz-Träger Coverage Extension (CE) R13/14
Anfang 2018: Einführung von NB-IoT durch deutsche Mobilfunkbetreiber
Eignung der Technologien für SMGW-Anbindung?
Anforderungen durch BSI
Verkehrsmodell durch Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN)
Inhalt
Einleitung / Hintergrund
Frequenzbereiche und –Träger bei LTE-M und NB-IoT
Anforderungen an die SMGW-Anbindung
Datenraten bei LTE-M und NB-IoT
Funkreichweite und Kapazitätsbetrachtungen
Zusammenfassung und Fazit
Inhalt
Einleitung / Hintergrund
Frequenzbereiche und –Träger bei LTE-M und NB-IoT
Anforderungen an die SMGW-Anbindung
Datenraten bei LTE-M und NB-IoT
Funkreichweite und Kapazitätsbetrachtungen
Zusammenfassung und Fazit
Technologien LTE-M NB-IoT
System-Bandbreite 1400 kHz 180 kHz
Inband-Betrieb ab 3 MHz ab 3 MHz
Guard-Band-Betrieb nein ja
Max. Bandbreite PD/USCH 1080 kHz 180 kHz
Min. Bandbreite PDSCH 180 kHz 180 kHz
Min. Bandbreite PUSCH 180 kHz 15 (3,75) kHz
Max. Datenrate DL-SCH 300 kbit/s 25 kbit
Max. Datenrate UL-SCH 375 kbit/s 63 kbit/s
Sprachübertragung ja nein
UE TX Power 20/23 dBm 23 dBm
GE M
MCL (LTE-M UL)
144 dB 40 kbps
154 dB 3 kbps
164 dB 0,2 kbps
TX Power
RX Sensitivity
LB
GS
EIRP
Systemparameter: LTE-M und NB-IoT
451 455,74 MHz
5 MHz LTE: effizient, aber knapp
Inband: NB-IoT
5 MHz LTE: nur 1 Betreiber ?
Inband LTE-M, Inband: NB-IoT
3x1,4 MHz LTE-M: mehrere Betreiber
Guard Band: NB-IoT
3 MHz LTE + 1,4 MHz LTE-M,
kein NB-IoT-Inband-Betrieb möglich
2x1,4 MHz LTE-M
+ Stand Alone NB-IoT
Spektrumsaufteilung im LTE-Band 72 451 – 456 MHz (UL) … 461 – 466 MHz (DL)
BO
S, B
etr
iebsfu
nk,
Weltra
um
funk
Betr
iebsfu
nk,
5-MHz-Träger – 25 Resource Blocks
Anwendungsfälle (Beispiele)
regelmäßige, aber auch spontane Übertragung:
Last- / Zählerstandsgänge, Netzzustände
Kommunikation: externe Marktteilnehmer
steuerbare Verbraucher und Erzeuger
Firmware-Update bzw. –Upgrade
Profilverwaltung SMGW durch Administrator
Zeitsynchronisation der SMGWs
Alarmierungs- und Alive-Meldungen
Anforderungen an SMGW durch BSI TR 03109-1
Mess-
daten IEC 62056
XML
XML Scheme Definition
COSEM über HTTP
CMS Sicherung
TLS / TCP / IP
LTE (pro Transport Block)
• PDCP - 5 Byte
• RLC - 2 Byte
• MAC - 2 Byte
legt für jeden der ca. 30 Anwendungsfälle fest:
Häufigkeit
Datenmenge inkl. Overhead (getrennt: UL / DL)
Priorität
maximal zulässige Zeitdauer
Verkehrsmodell:
Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN)
aufgeschlüsselt nach Klassen von Verbrauchswerten und Leistungswerten
exemplarische Diskussion für drei wichtige Anwendungsfälle am Beispiel:
+ Letztverbraucher mit Verbrauch von 50 – 100 MWh/a
+ steuerbaren Verbrauchern
+ zusätzlicher Erzeugungsanlage mit 15 – 30 kWp
HVSt: Hauptverkehrsstunde
nicht-verschiebbare Ereignisse, zufällige Ereignisse (5-fach gewichtet)
NSt: andere Stunden
0,00 200,00 400,00 600,00 800,00 1000,00
Profilverwaltung
FW-Upgrade (Austausch)
FW-Update (Patch)
Zeitsynchromisation (NTP-TLS)
Alarm Alive
Regelmäßig: Last-/Zählerstandsgänge
Spontan: Netzzustände
nicht-kritische Kom.: EMT mit CLS
kritische Kom.: EMT mit CLS
UL Daten in NSt DL Daten in NSt
UL Daten in HVSt DL Daten in HVSt
Mittlere Datenmengen pro SMGW und Stunde
Datenmenge pro SMGW und Stunde / Byte
- Letztverbraucher: 50 – 100 MWh/a
- steuerbare Verbraucher
- Erzeugungsanlage: 15 – 30 kWp
Last- und Zählerstandsgänge übertragen
gut 2 pro Tag zu 8 kByte im UL 1,7 bit/s pro SMGW
innerhalb tmax ≤ 15 min 71,1 bit/s pro SMGW
Firmware-Upgrade
1 pro Jahr zu 12 Mbyte im DL 3,0 bit/s pro SMGW
innerhalb tmax ≤ 3 h 8,9 kbit/s pro SMGW
innerhalb tmax ≤ 72 h (Flotte) 390,4 kbit/s bei 1000 SMGWs (in Zelle)
Zeitsynchronisation zwischen dem SMGW
0,5 pro Tag: 3,3/1,7 kByte DL/UL ≤ 0,2 bit/s pro SMGW
innerhalb tmax ≤ 9 s 3,0 kbit/s pro SMGW im DL (UL: 3,0 kbit/s)
Verkehrsmodell: Beispiel – 3 ausgewählte AFs
geringe mittlere Datenrate pro SMGW
Mindest-Anschlussdatenrate 10 kbit/s (besser mehr!)
mittlere Datenrate pro SMGW hängt von Leistungs- & Erzeugungsklasse ab
für typischen Mix folgende Werte pro SMGW im Mittel:
ca. 0,2 Aktionen in der HVSt
1,8 Bit/s = 0,81 kByte/h in HVSt im UL
0,8 Bit/s = 0,36 kByte/h in HVSt im DL
FW-Update/-grade: 1,7 kByte/h in NSt, im DL
Maximale Dauer einiger AFs: Mindest-Anschlussdatenrate > 10 kbit/s pro SMGW
Max. Dauer FW-Update/-grade: > 390 kbit/s für 1000 SMGWs
200 MByte/h für 1000 SMGWs (inkl. Layer-2-OH)
Zusammenfassung der Anforderungen
Reichweite
Kapazität
netto
brutto 154
144
154
164
164
144
154
164
MCL
DL NB-IoT
UL NB-IoT
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 10
-1
10 0
10 1
10 2
SNR / dB
Date
nra
te /
kbit/s
DL LTE-M
UL LTE-M
Brutto-Datenrate:
Transport Block Size (TBS) /
Transmission Time Intervall (TTI)
Datenraten bei LTE-M und NB-IoT
Quelle: O. Liberg, M., Sundberg, M. u.a.:
Cellular Internet of Things , Academic Press, 2018
Verbindungsaufb. (RRC Resume)
• 0,2 – 0,3 s bei MCL = 144 dB
• 0,6 – 1,1 s bei MCL = 154 dB
Netto-Rate berücksichtigt:
• Zuteilungsprozess für TB
• Hybrid-ARQ-Prozess
• belegte Sub-Frames
• Synch., Broadcast im DL
• Random Access im UL
1
10
100
0 20 40 60 80
Sta
nd
ort
-Flä
ch
e /
km
2
Auslastung / %
urban, 450 suburban, 450
urban, 800 suburban, 800urban | suburb
Hata
urban | suburb
Long Term Fading LTF 8 | 6 dB 8 | 6 dB
Korrelation LTF 0,5 0,5
Kellerdämpfung LK 17 | 14 dB 22 | 18 dB
LTF für Kellerdämpfung 9 | 6 dB 6 | 6 dB
BS-Antennenhöhe 30 m 30 m
BS-Antennengewinn 15 dBi 17 dBi
Halbwertsbreite (horiz.) 65° 65°
Anschlussverlust 2 dB 2 dB
UE-Antennengewinn 0 dBi 0 dBi
UE-Sendepegel 23 dBm 23 dBm
Rauschzahl UL / DL 3 / 5 dB 3 / 5 dB
Diversiy UL: Receive, DL: Transmit
Ausbreitungsmodell Hata
450 MHz 800 MHz Frequenzbereich
Simulationen zur Reichweite
MCL = 144 dB
97 % Versorgung
IDM = –10log10 ( 1 – Auslastung in % / 100 )
50 km2
Wahrs
chein
lichkeit [
0..
1]
SIR-Unterschreitung
0.01
0.1
1
0.001 -15 -10 -5 0 5 10 15
SIR [dBm]
10 1
Resourc
e B
locks p
ro 1
kB
yte
10 2
10 3
10 4
LTE-M
Verteilungs-
funktionen
75% 50 25% Last
Kapazitätsbetrachtungen (DL)
FW-Upgrade:
• 200 kByte / h pro SMGW
• 200 x 131,5 RBs = 26300 RBs
pro Zelle: 266 SMGWs
pro Sto.: 800 SMGWs
450-MHz suburban: 16 SMGWs/km2
450-MHz urban: 80 SMGWs/km2
131,5 im Mittel
1,4-MHz-Träger (LTE-M)
• 50% Last
• 10,8 Mio. Resource Blocks / h
• - 2,5 Mio. für Sync, Broadcast
• - 1,3 Mio. für MDCCH
• 7,0 Mio. RBs für PDSCH
NB-IoT
450 MHz
Suburban
50 km2
Zusammenfassung und Fazit (1)
LTE-M und NB-IoT für Smart-Meter-Anwendungen?
FNN-Verkehrsmodells , Lizenzneuvergabe im 450-MHz
ein 5-MHz-Trägers für Realisierung von Sprach- / Datendiensten am effizientesten
aber etwas zu breit, alternativ: 3 1,4-MHz-Träger für LTE-M + Träger für NB-IoT
Mindest-Anschlussdatenrate: > 10 kbit/s, besser > 20 kbit/s
MCL = 144 dB bei LTE-M gut erfüllbar (Reserve 5 dB), bei NB-IoT knapp
versorgbare Flächen pro eNodeB-Standort bei geringer Last
450 MHz: 15 km2 (urban) bzw. 74 km2 (suburban),
800 MHz: 4,5 km2 (urban) bzw. 32 km2 (suburban)
Coverage Extension bei LTE-M eingeschränkt möglich, bei NB-IoT gar nicht
Zusammenfassung und Fazit (2)
höchste Kapazitätsanforderungen: SW-Download für gesamte Flotte in 72 h
800 SMGWs pro eNodeB-Standort bei LTE-M mit einem 1,4-MHz-Träger
16 SMGWs / km2 (450 MHz, suburban)
80 SMGWs / km2 (450 MHz, urban) Engpass Zellen kleiner, mehr Täger!
BSI / FNN-Anforderungen: LTE-M !!! NB-IoT ???
höhere Kapazität bei bestehenden LTE-Netzen bei 800 / 900 MHz
erfordern aber für missionskritische Dienste besondere vertragliche Regelungen.
heutiger Ausbaustand: Versorgung < 90% bei kritischen Installationsorten
detaillierter zu untersuchen: Kapazitätsfragen, Variation des Verkehrsmodells
neuere Endgeräte-Kategorien (Cat-N2, Cat-M2): höhere Datenraten, Multicast