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