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VDE Fachtagung in Suhl Kommunikationsvarianten für SMGWA Infrastrukturen (Bsp. CDMA450/LTE450)
Thüringer Netkom GmbH
28.09.2016
Bereichsleiter Planung: Mike Sickert
Entwicklung der Thüringer Netkom
Entwicklungsstufen:
1996: Infrastrukturnahe Dienstleistungen für die
Muttergesellschaft Thüringer Energie AG
2006: Start DWDM-Ausbau; Positionierung als
größter alternativer Carrier in Thüringen (neben
DTAG)
2009: Start des Glasfaser-Pilotprogramms (DSL-
Ausbau auf dem Land)
2014: 170.000 Einwohner mit Breitband auf dem
Land erschlossen
2015: Start mit eigenen Privatkundenprodukt
„ThüringenDSL“ in Städten
Gegründet als der Kommunikationsdienstleister für Energieversorger
Fakten zum Unternehmen:
Sitz in Weimar
70 Mitarbeiter
4 Servicestandorte in Thüringen
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Wichtigstes Fundament ist die Glasfaser
Das Netz:
>5.500 km Glasfaserkabel
150 Technikstandorte
Colocation-Flächen
Funkmaste/ Funkstandorte
Multiservicenetzwerke (DWDM,
SDH, PDH, Ethernet, IP, xDSL,
Richtfunk)
24/7-Netzmanagement
Serviceteams in der Region
präsent
Größter alternativer
Regionalcarrier in Thüringen
Glasfaserinfrastrukturen als Basis für ITK Services
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Herausforderungen Idee Smart Grid/Smart Metering
Verbrauchernahe dezentrale Energieerzeugung
Anforderungen an die Systemführung steigen durch nicht deterministisches Gesamtverhalten
Neue Technologien wie Smart House, dezentrale Speicher, Grid Monitoring, Demand Response, Demand Side Management und
Elektrofahrzeuge koppeln zeitlich und räumlich getrennte volatile Erzeugung und Bedarf.
Anforderungen an Kommunikationsnetze
Aufgabenstellung
Überwachung- und Steuerung von zentralen
Basisinfrastrukturen der Versorgungsunternehmen
Sicherstellung der Handlungsfähigkeit der Netzbetreiber
beim Ausfall der öffentlichen Stromversorgung ,
Schwarzfallfestigkeit (Blackout)
Kommunikation zur schnellen Wiederherstellung der
öffentlichen Stromversorgung im Rahmen von
abgestimmten Netzwiederaufbaustrategien mit den
vorgelagerten Betreibern von Höchst- und HS-, MS und
Niederspannungsnetzen sowie Erzeugereinheiten, EEG-
Einspeisern und KWKG-Anlagen
Echtzeitanalyse von Lastflusssituationen zur Steuerung
Einspeisemanagement
Netzschutz: Leitungsdifferentialschutz, Leitungsdistanz-
schutz mit Signalübertragung
Monitoringsysteme, Systemautomatiken, Lastmanage-
ment (z.B. Intelligente Ortsnetzstationen)
Übertragung von „Zählwertdaten“ (Metering)
Kommunikation des Personals (Sprache)
Anforderungsdefinition
Verfügbarkeit der Übertragungswege (ggf. durchgängige
Notstromversorgung für unterschiedlichste Szenarien, z.B.
Schwarzfallfestigkeit)
Qualität der übertragenen Leitungsparameter (z.B.
Signallaufzeiten für Schutzsignalanwendungen)
Ende-zu-Ende IT-Security (intern und externe Angriffe auf
Infrastrukturen)
Mitarbeiterkommunikation – redundantes
Kommunikationsnetz im Schwarzfallfall
Hoheit über die Kommunikationsinfrastruktur muss
gegeben sein
Hohe Netzabdeckung- und Verfügbarkeit
Nutzbarkeit für Smart Grid- und Metering
„einfache Technologie“
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Allgemein: Testszenarien „SMGWA – Projekt“ Access Technologien
Aufgabenstellung
Entwicklung eines thüringenweiten Kommunikations-
konzeptes zur Übertragung der Nutzdaten
Standard Festvebindungen (Eth., IP, MPLS)
PLC (Powerline)
xDSL Anschlüsse (TNK Infratsruktur)
Mobile Network (APN)
WiFi
CDMA450 (Inquam/Alliander)
LoRa
Festlegung der techn. Standardparameter (wenn
Standardisierung schon abgeschlossen
BSI: Techn. Rahmenbedingungen, Sichere Nutzung
Differentierung zwischen Testphase im Labor (Gateways,
Mobile APN, Fixed Network) und Rolloutphase Feldtest
modularer Standardwarenkorb (Access Technologie)
Test alternative Access Technologien (z.B. CDMA/LTE450,
LoRa…)
Detailbeschreibung
Funktionale Beschreibung, Konzept eines
zentralen „Datenknotens“ Thüringen
Auftrag
siehe Hersteller d. Werke (PPC, Devolo)
Standard DSL
Test Mobile Network (Global SIM)
Differenzierung zwischen technischer Plattform
und unterschiedlichen Access Technologien
Redundanzanforderungen, Verfügbarkeiten
(Kritikalität – Echtzeitkommunikation ?)
Unterschiedliche Ansätze (Standardisierung
Schnittstellenvarianten, prozessuale Definition)
Smart Grid/Metering: Cyber Physical System (CPS)
Definition
Ein Cyber-Physical-System (CPS) ist ein Verbund informatischer, softwaretechnischer Komponenten mit mechanischen und
elektronischen Teilen
Teilkomponenten kommunizieren miteinander
Vernetzung eingebetteter Systeme durch Kommunikationsnetzwerke
Es existiert eine Dateninfrastruktur
Beispiele
Smart Grids / Intelligente Netze
Industrie 4.0
Medizinische Geräte
Altersgerechte Assistenzsysteme
Vernetzte Sicherheits- und Assistenzsysteme
Infrastrukturen für Kommunikation
Umweltbeobachtung- und Beeinflussung
CPS bilden eine neue theoretische Grundlage für die Erforschung großer, verteilter und komplexer Systeme auf Basis der
Analyse der gemeinsamen Dynamik von physikalischen Prozessen, Software und Netzwerken
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Systemlandschaft-Teilsysteme
GWA-System (Gatewayadministration)
MDM-System (Meter Data Management)
HES (Head-End-System)
Webportal
Marktkommunikation
Kommunikationsinfrastruktur
Systemlandschaft SMGWA
Konzept zu möglichen Varianten einer Kommunikations-
infrastruktur zwischen Zähler/Gateway und GWA
Aggregation der Datenverbindungen (VPN-Verbindungen)
„gedoppelte Architektur“ für beide Testteams (Bosch und
Telekom/Robotron)
Beispiel Teilsystem „Kommunikationsinfrastruktur“
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Beispiel SMGWA (Kommunikationsinfrastruktur)
GWA-S MDM-S
HES
öff. IP (FQDN)
Datenknoten
Thüringen
HSI
Fixed
Network
GW
GW GW GW GW GW
PLC
PLC
WAN
PLC
Datenkonten
Stadtwerk
VPN
PLC PLC PLC
Trafostation
VPN
Variante PLC Eigene Netze/PLC
Mobile
Network
GW
GW
VPN
LTE
(APN)
CDMA
450
GW
LoRa
GW
WiFi
xDSL
GW
Konzept „Datenknoten
Thüringen“
Nutzung unterschiedlichster
Access Technologien (regionale
Verfügbarkeit, Kosten)
Klassifizierung entsprechend
Anwendung/Applikation (bspw.
Echtzeitkommunikation Smart
Grid, Best Effort Smart Metering)
„Modulares Baukastensystem für
TEN, Stadtwerke und weitere
Kooperationspartner
Test CDMA450
„CDMA450“ Projekt in Thüringen
Allgemein:
Ergebnisse der Planungen für Thüringen zu unterschiedlichen Szenarien bzgl. Netzabdeckung liegen durch Inquam bereits vor
(Planungen seit 2012)
Ein Funknetz auf Basis CDMA450 ist gute Ergänzung zur vorhandenen Infrastruktur (Glasfasernetz, Kupfernetz) in Thüringen
Zukünftige Netzkonzepte können in Thüringen eigenständig umgesetzt werden
Smart Grid zur flächendeckenden Anbindung von Netzelementen, Smart Metering zur Einbindung von Endkunden an das
Smart Grid bzw. die Erfüllung gesetzlicher Auflagen
Bitraten von bis zu 3,1Mbit/s im Downlink sowie 1,8Mbit/s im Uplink sind möglich
Mitarbeiterkommunikation – redundantes Kommunikationsnetz im Schwarzfall
TNK hat Erfahrungen im Betrieb von Funknetzen, z.B. das ehemalige konzerneigene Bündelfunknetz (ThüFunk) sowie im
Aufbau- und Betrieb von Mobilfunknetzen -> heutiges O2 Netz der Telefonica (Viag Interkom/Bayernwerk Netkom)
„sanfte Migration“ von CDMA450 zu LTE450 in Abhängigkeit Standardisierung und Frequenzzuteilung (aktuell bis 2020)
möglich
Synergien in Thüringen durch Mitnutzung von Mast- und Umspannwerksstandorten sowie vorhandener Immobilien
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Technik „CDMA450“
450 MHz Frequenz − Vorteile bei der Gebäudedurchdringung
Ausbreitungseffekte sind von weiteren frequenzabhängigen Einflussparametern abhängig
Für die Durchdringung von Gebäuden sind Beugungseffekte signifikant:
Beugungseffekte sind wellenlängenabhängig (frequenzabhängig), d.h. je größer die Wellenlänge, desto
besser können Wellen in geometrischen Schattenraum gebeugt werden (Ausleuchtung des
Gebäudeinneren)
Bei der Beugung sind die Größen der Beugungskanten und Aperturen im Vergleich zur verwendeten
Wellenlänge (bei 450 MHz beiträgt die Wellenlänge ca. 70 cm) in der gleichen Größenordnung wie die von
Gebäudeaperturen
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„CDMA450“ Pilotprojekt UW Apolda
Testaufbau „CDMA450“
Funkzelle (Inquam/Alliander)
Aufbau- und Inbetriebnahme
einer Basisstation im 450MHz
Bereich (Testszenario Indoor/
Outdoor Versorgung)
Standort UW Apolda, Masthöhe
30m
Kommunikationsanbindung wird
durch TNK realisiert
Inbetriebnahme bis Ende
September (on net „Start Feldtest“
Rollout Gateways im Oktober)
Bild: Darstellung funktechnische
Abdeckung der CDMA450
Funkzelle (Basis Planungstool)
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„CDMA450“ Pilotprojekt UW Apolda
BTS UW Apolda in Betrieb seit
27.09.2016
Messungen A4 Rastplatz Eichelborn:
- Datenrate ca. 1.2Mbit/s.
- Entfernung ca. 24km
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Wie geht es weiter… (Auswertung eigener Statistiken im Ergebnis Pilotprojekt UW Apolda)
Anforderungen
Erreichbarkeit aller Mess- und Steuerungspunkte
Hohe Netzsicherheit und Netzverfügbarkeit
Leistungsfähigkeit (z.B. quasi-Echtzeit, kurze Intervalle)
Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems
Eigenständiges Funknetz (CDMA in 450MHz)
Sehr gute Ausbreitungseigenschaften (Fläche) und
Gebäudedurchdringung; Ausbau entsprechend Bedarf
Ideal, da eigenständiges Netz ohne Dienste für
öffentlichen Massenmarkt, zudem abhörsicher
Sehr hoch, da leistungsfähige Technik für Echtzeitan-
wendungen optimiert werden kann
Geringe Anzahl von Standorten und hohe Kapazitäten
führen zu niedrigen „Stückkosten“ bei Auslastung
Probleme der alternativen Kommunikationslösungen
Öffentlicher Mobilfunk: Problem der sicheren Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit in einem öffentlichen
Massenmarktnetz (Bsp. GPRS Service)
Powerline: Nicht geeignet für Flächen-Rollout; sehr hohe Kosten für leistungsfähiges flächendeckendes Netz
Kunden-DSL (Fremdnetze): Keine Kontrolle und damit nicht für Steuerung geeignet
Eigenständiges CDMA450 Funknetz als optimale Lösung ?
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Migration „CDMA450“ zu „LTE450“
“Sanfter Migrationspfad” nach Abschluss Standardisierung
450MHz weltweites Mobilfunkband mit standardisierter 3G (CDMA) und 4G (LTE) Technologie von Herstellern verfügbar
Für Einsatz von LTE fehlen in Deutschland die regulatorischen Voraussetzungen, insbesondere Berücksichtigung der
deutschen und europäischen 450MHz Bänder im LTE Standard und einschlägigen CEPT Entscheidungen
LTE befindet sich noch in der Entwicklung von wesentlichen Spezifikationen für die M2M Anwendungen, welche erst in
geplanten Release 13 verabschiedet werden (auf dem Mobilfunkmarkt befinden sich aktuell LTE Realisierungen nach
Release 8 und 9)
Hersteller der CDMA450 Technik für die CDMA450 Netze in Niederlanden und Österreich sagen eine Unterstützung für 10
Jahre zu -> Investitionssicherheit
Alliander/Inquam verfügt über zwei Frequenzträger und kann daher CDMA450 Netz um LTE450 ergänzen auf Basis
einer einheitlichen Funknetzplanung und Funkinfrastruktur
Zwei Frequenzträger erlauben einen Parallelbetrieb von CDMA und LTE über viele Jahre, so dass kein unmittelbarer
Austausch von Endgeräten im Feld erforderlich ist, sondern eine Migration über 5-10 Jahre fortlaufend erfolgen kann
Hinsichtlich der praktischen Umsetzung liegt daher Fokus auf CDMA450 für Netzausbau in 2016/2017, ergänzender
LTE450 Ausbau ist bei Vorliegen der regulatorischen Voraussetzungen möglich
Alliander: Fortführung der Aktivitäten nach Übernahme von Inquam -> Produkte 450connect (https://www.450connect.de/)
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Strategie Szenario
Evolution: “Sanfter Migrationspfad von CDMA450 zu LTE450
Erste Pilotprojekte mit LTE450 in Deutschland (Bsp. für Testaufbau)
Markteinführung nicht vor Ende 2018/2020 geplant
Technische Studie der Hochschule Südwestfalen „Überlegungen zum Einsatz von Mobilfunksystemen für Smart-Metering- und
Smart-Grind-Anwendungen: CDMA450 versus LTE450“
Ansatz: Smart-Meter-Anwendungen: 300 Byte pro 15 Min. im Uplink
bei 40 Mio. Haushalten: 106,7 Mbit/s
Kapazität: nur wenig Standorte erforderlich Reichweitengrenze
Reichweite: am besten niedriger Frequenzbereich – z.B. 450 MHz Zusatzkapazität sinnvoll nutzen
bei 450 MHz etwa nur ein Viertel der BS-Standorte wie bei 900 MHz
CDMA450: Standardisierung erfolgt und zahlreiche Produkte auf dem Markt
LTE450 hingegen ist die Standardisierung noch im Fluss und nicht abgeschlossen
Verfügbare Frequenzspektren in Deutschland derzeit in „Nutzung“ von Telekom und Alliander/Inquam
Reference 450MHz M2M Services
Utility Connect (Netherlands) -> CDMA450 rolled out for smart grid & metering in 2/3 of Netherlands
-> Nationwide M2M platform for critical infrastructure
Inquam (Germany) -> CDMA450 pilots with all large utilities&first commercial network for city utility in rollout
Argonet (Austria) -> Rolling out two regional CDMA450 networks for utilities
MVM (Hungary) -> LTE450 newly deployed, Nationwide network initially for utility data communication
Ukko (Finland) -> Rolling out 2 regional CDMA450 networks for utilities, Newly deployed LTE450 networks
AINMT (Scandinavia, Asia) -> Migrating to LTE450 in Scandinavia and acquiring 450MHz operators in Asia
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Standardisierung 450MHz
450-470MHz is identified as IMT band for all three ITU regions
Various standard mobile technologies are available or under development
Technologies in 450 profit from continuing developments in other mobile bands (LTE, NB IoT)
Limited spectrum amount in this band allows developers to focus on M2M applications
Technology roadmap for 450MHz
CDMA2000 – 1.25MHz system bandwidth – mature and wide spread technology
CDMA EVDO – optimised for data services with short latency, large M2M capacity and support of QoS
LTE in Band 31 – new technology with 1.4, 3 and 5MHz bandwidth – under studies within CEPT
Ongoing optimization for M2M with LTE-M reducing cost and power consumption (Release 13)
NB IoT – future variant of LTE with 200kHz bandwidth under standardisation for IoT
Larger radio cells, better in-door coverage, longer battery life and lower cost devices
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Vergleich LTE450 und CDMA450
Vergleich der spektralen Kapazitäten von LTE450
und CDMA450
Vergleich verschiedener Analysen für die
Kellerdämpfungen
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Quelle: Fachochschule Südwestfalen
Vergleich LTE450 und CDMA450
Empfangspegel und Zellgrößen bei verschiedenen Topologien
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Quelle: Fachochschule Südwestfalen
ITK-Netze für Versorgungsunternehmen
… „Digitalsierung der
Energiewende
… „Alles ist mit allem
vernetzt (IoT)“
… Industrie 4.0, „die
Zukunft hat begonnen“
... Verschmelzung der
branchenspezifischen
ITK-Infrastrukturen
„Neuronales Netzwerk“ - Vernetzte Welt der Cyper Physical Systems
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