Überlegungen zur Realisierung von Smart-Meter-Anwendungen über Narrow-Band-LTE-Netze

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1 Fachhochschule Südwestfalen Wir geben Impulse Überlegungen zur Realisierung von Smart-Meter-Anwendungen über Narrow-Band-LTE-Netze Christian Lüders FH Südwestfalen, Breitbandkompetenzzentrum NRW

2 Pilot-Phase Feld-Tests Intelligente Messsysteme Smart Meter Steuerbare Verbrauchseinrichtungen 14a EnWG-Anlagen 2,6 Mio. EEG- und KWK-Anlagen > 7 kw (Nennleistung) Verbrauch > kwh/y 1,0 Mio. 1,0 Mio. Verbrauch kwh/y 1,2 Mio. Verbrauch kwh/y 2,4 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

3 exklusiv für BOS und Bundeswehr (national) Der Frequenzbereich bei 450 MHz Funknetze für Energiewirtschaft z.b. EWE, Düsseldorfer Netzges., auf Basis CDMA Bandbreite: 1,25 MHz - Max. EIRP UL: 23 dbm - Max. EIRP DL: 55 dbm 450-MHz-Band (UL) derzeitige Zuteilung bis E connect 1,5 MHz Telekom CDMA Band 5 H LTE Band connect Downlink 10 MHz versetzt Migration auf LTE450? f / MHz Neuvergabe der Frequenzen in 2018 für 20 Jahre (technologieneutral) Bedarfsabfrage durch BNetzA ist erfolgt kritische Infrastrukturen im nationalen Betreibermodel kritische Infrastrukturen (regional)

4 Machine-Type Communications bei LTE seit 2012 im Fokus von 3GPP: Release 12 User Equipment Cat-0 3GPP TR : 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)

5 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

6 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

7 LB Systemparameter: LTE-M und NB-IoT Technologien LTE-M NB-IoT System-Bandbreite 1400 khz 180 khz Inband-Betrieb ab 3 MHz ab 3 MHz EIRP G S TX Power 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 MCL (LTE-M UL) 144 db 40 kbps 154 db 3 kbps 164 db 0,2 kbps RX Sensitivity G E M

8 BOS, Betriebsfunk, Weltraumfunk Betriebsfunk, Spektrumsaufteilung im LTE-Band MHz (UL) MHz (DL) 3 MHz LTE + 1,4 MHz LTE-M, kein NB-IoT-Inband-Betrieb möglich 2x1,4 MHz LTE-M + Stand Alone NB-IoT 3x1,4 MHz LTE-M: mehrere Betreiber Guard Band: NB-IoT 5 MHz LTE: nur 1 Betreiber? Inband LTE-M, Inband: NB-IoT 5-MHz-Träger 25 Resource Blocks 5 MHz LTE: effizient, aber knapp Inband: NB-IoT ,74 MHz

9 Anforderungen an SMGW durch BSI TR 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 TLS / TCP / IP CMS Sicherung Messdaten IEC XML XML Scheme Definition COSEM über HTTP LTE (pro Transport Block) PDCP - 5 Byte RLC - 2 Byte MAC - 2 Byte

10 Verkehrsmodell: Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) legt für jeden der ca. 30 Anwendungsfälle fest: Häufigkeit Datenmenge inkl. Overhead (getrennt: UL / DL) Priorität maximal zulässige Zeitdauer aufgeschlüsselt nach Klassen von Verbrauchswerten und Leistungswerten exemplarische Diskussion für drei wichtige Anwendungsfälle am Beispiel: + Letztverbraucher mit Verbrauch von MWh/a + steuerbaren Verbrauchern + zusätzlicher Erzeugungsanlage mit kwp

11 Mittlere Datenmengen pro SMGW und Stunde HVSt: NSt: Hauptverkehrsstunde nicht-verschiebbare Ereignisse, zufällige Ereignisse (5-fach gewichtet) andere Stunden UL Daten in NSt UL Daten in HVSt DL Daten in NSt DL Daten in HVSt kritische Kom.: EMT mit CLS nicht-kritische Kom.: EMT mit CLS Spontan: Netzzustände Regelmäßig: Last-/Zählerstandsgänge Alarm Alive Zeitsynchromisation (NTP-TLS) FW-Update (Patch) FW-Upgrade (Austausch) Profilverwaltung - Letztverbraucher: MWh/a - steuerbare Verbraucher - Erzeugungsanlage: kwp 0,00 200,00 400,00 600,00 800, ,00 Datenmenge pro SMGW und Stunde / Byte

12 Verkehrsmodell: Beispiel 3 ausgewählte AFs Last- und Zählerstandsgänge übertragen gut 2 pro Tag zu 8 kbyte im UL 1,7 bit/s pro SMGW innerhalb t max 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 t max 3 h 8,9 kbit/s pro SMGW innerhalb t max 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 t max 9 s 3,0 kbit/s pro SMGW im DL (UL: 3,0 kbit/s) geringe mittlere Datenrate pro SMGW Mindest-Anschlussdatenrate 10 kbit/s (besser mehr!)

13 Zusammenfassung der Anforderungen 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 Reichweite 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) Kapazität

14 Datenrate / kbit/s Datenraten bei LTE-M und NB-IoT netto brutto DL LTE-M UL LTE-M MCL DL NB-IoT UL NB-IoT SNR / db Quelle: O. Liberg, M., Sundberg, M. u.a.: Cellular Internet of Things, Academic Press, 2018 Brutto-Datenrate: Transport Block Size (TBS) / Transmission Time Intervall (TTI) Netto-Rate berücksichtigt: Zuteilungsprozess für TB Hybrid-ARQ-Prozess belegte Sub-Frames Synch., Broadcast im DL Random Access im UL Verbindungsaufb. (RRC Resume) 0,2 0,3 s bei MCL = 144 db 0,6 1,1 s bei MCL = 154 db

15 Simulationen zur Reichweite Standort-Fläche / km urban, 450 suburban, 450 urban, 800 suburban, 800 MCL = 144 db 97 % Versorgung 50 km Auslastung / % IDM = 10 log 10 ( 1 Auslastung in % / 100 ) Frequenzbereich Ausbreitungsmodell Hata urban suburb urban suburb Long Term Fading LTF 8 6 db 8 6 db Korrelation LTF 0,5 0,5 Kellerdämpfung LK db db LTF für Kellerdämpfung 9 6 db 6 6 db BS-Antennenhöhe 30 m 30 m BS-Antennengewinn 15 dbi 17 dbi Halbwertsbreite (horiz.) 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 450 MHz 800 MHz Hata UL: Receive, DL: Transmit

16 Resource Blocks pro 1 kbyte Wahrscheinlichkeit [0..1] Kapazitätsbetrachtungen (DL) LTE-M SIR-Unterschreitung Verteilungsfunktionen NB-IoT 131,5 im Mittel 450 MHz Suburban 50 km % 50 25% Last SIR [dbm] FW-Upgrade: 200 kbyte / h pro SMGW 200 x 131,5 RBs = RBs 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 pro Zelle: 266 SMGWs pro Sto.: 800 SMGWs 450-MHz suburban: 16 SMGWs/km MHz urban: 80 SMGWs/km 2

17 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 km 2 (urban) bzw. 74 km 2 (suburban), 800 MHz: 4,5 km 2 (urban) bzw. 32 km 2 (suburban) Coverage Extension bei LTE-M eingeschränkt möglich, bei NB-IoT gar nicht

18 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 / km 2 (450 MHz, suburban) 80 SMGWs / km 2 (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