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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UW Apolda: Aufbau Technik BTS „CDMA450“ Stand 14.08.2016 (Inbetriebnahme/On Net Ende September)

„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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Standardisierung “Cellular evolution for IoT”

Quelle: NOKIA

Quelle: NOKIA

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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

Alliander (Übernahme Inquam Deutschland)

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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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VDE Fachtagung in Suhl Kommunikationsvarianten für SMGWA Infrastrukturen

(Bsp. CDMA450/LTE450)

Thüringer Netkom GmbH

28.09.2016

Bereichsleiter Planung: Mike Sickert