Smart Meter Konnektivität: Netzwerkanforderungen für das IoT im Versorgungssektor

Die Messinfrastruktur der Versorgungsunternehmen unterliegt einer Reihe von Einschränkungen, die in den meisten IoT-Branchen nicht bestehen. Die Geräte werden nicht zu Tausenden, sondern zu Millionen eingesetzt. Ihre Lebensdauer vor Ort wird in Jahrzehnten und nicht in Jahren gemessen. Der physische Zugang zu einem installierten Zähler für Wartungsarbeiten oder den Austausch der SIM-Karte ist bei einer stadtweiten oder regionalen Einführung mit hohen betrieblichen Kosten verbunden. Zudem variieren die rechtlichen Rahmenbedingungen hinsichtlich Datengenauigkeit und Netzwerkzuverlässigkeit je nach Rechtsraum, was zu den üblichen technischen Anforderungen noch zusätzliche Compliance-Anforderungen hinzufügt.

Die zu Beginn eines Smart-Metering-Programms getroffenen Entscheidungen zur Netzwerkarchitektur prägen die betrieblichen Ergebnisse über die gesamte Lebensdauer der Installation hinweg. Dieser Beitrag befasst sich mit den spezifischen Konnektivitätsanforderungen im Bereich des IoT für Versorgungsunternehmen, den technologischen Optionen und ihren Vor- und Nachteilen sowie den infrastrukturellen Aspekten, die Versorgungsunternehmen und ihre Technologiepartner vor der endgültigen Festlegung der Installation berücksichtigen müssen.

Was die Konnektivität bei der Verbrauchsmessung auszeichnet

Die meisten IoT-Anwendungen können gewisse Schwankungen bei der Konnektivität verkraften. Ein Flotten-Tracker, der eine Positionsaktualisierung auslässt, ist lediglich ein Ärgernis. Ein intelligenter Stromzähler, der einen Ablesewert nicht übermittelt, hat jedoch Auswirkungen auf den Umsatz, führt zu aufsichtsrechtlichen Problemen oder beides.

Versorgungsunternehmen betreiben ihre Messinfrastruktur unter Einhaltung von Anforderungen an die Abrechnungsgenauigkeit, die sich direkt in Vorgaben zur Verbindungszuverlässigkeit niederschlagen. Fehlende Ablesungen erfordern manuelle Schätzungen, Verfahren zur Klärung von Kundenstreitigkeiten und in einigen Rechtsräumen auch die Meldung an die Aufsichtsbehörden. Bei einem großen Versorgungsunternehmen mit Hunderttausenden oder Millionen von Endgeräten führt bereits ein geringer Prozentsatz an Geräten, die regelmäßig ausfallen, zu einer erheblichen betrieblichen Belastung.

Ein weiteres charakteristisches Merkmal der Verbrauchsmessung im Versorgungsbereich ist der physische Einsatzkontext. Intelligente Zähler werden an Standorten installiert, die auf die betrieblichen Anforderungen des Versorgungsunternehmens optimiert sind, nicht auf die Qualität des Mobilfunksignals:

• Unterirdische Schächte für die Wasser- und Gasversorgung
• Stromverteiler im Keller von Mehrfamilienhäusern
• Abgelegene Messstellen in der Landwirtschaft, die weit entfernt von dichten Netzabdeckungen liegen
• Industrieanlagen mit HF-dämpfender Stahl- und Betonkonstruktion

Die für intelligente Zähler ausgewählte Mobilfunktechnologie muss in diesen Umgebungen zuverlässig funktionieren, weshalb neben der Datenübertragungsrate, dem Stromverbrauch und den Kosten auch die Leistung des Link-Budgets ein wichtiges Auswahlkriterium darstellt.

Technologische Optionen und ihre Vor- und Nachteile

NB-IoT ist weltweit die vorherrschende Mobilfunktechnologie für den Einsatz von intelligenten Zählern, und die Gründe dafür stehen in engem Einklang mit den spezifischen Anforderungen des Anwendungsfalls.

NB-IoTDer Vorteil des Link-Budgets gegenüber „LTE-M“ beträgt etwa 20 dB, was in den anspruchsvollen physikalischen Umgebungen, in denen die Zähler installiert sind, eine bedeutende Reichweite bedeutet. Ein Signalpegel, der für den Aufbau einer „ LTE-M“-Sitzung nicht ausreichen würde, ist für „ NB-IoT “ oft ausreichend. Bei der Installation in unterirdischen Zählerschächten und in elektrischen Anlagen im Keller ist dieser Unterschied in der Reichweite der entscheidende Faktor.

Der Stromverbrauch im PSM-Modus bei sehr niedrigen Übertragungsfrequenzen ist bei „ NB-IoT “ geringer als bei „ LTE-M“, wodurch sich die Batterielebensdauer bei batteriegestützten oder ausschließlich batteriebetriebenen Zählern verlängert. Bei Wasser- und Gaszählern, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind, ist eine mehrjährige Batterielebensdauer eine zwingende Betriebsanforderung und keine bloße Präferenz.

Die Datenkosten pro Einheit sind bei „ NB-IoT “ niedriger als bei „ LTE-M“, wenn es um kleine, selten übertragene Datenmengen geht, wie sie bei der Verbrauchsmessung anfallen. Bei einem Einsatz in einem Wasserversorgungsunternehmen mit einer Million Endpunkten summiert sich der Kostenunterschied pro SIM-Karte zwischen „ NB-IoT “ und „ LTE-M“ zu einem Betrag, der die Wirtschaftlichkeit des Programms erheblich beeinflusst.

Es lohnt sich, die Vor- und Nachteile von „ NB-IoT “ bei der Verbrauchsmessung genau zu verstehen:

• Die Latenz beim Aufbau einer Sitzung ist höher als bei LTE-M, was den Einsatz dieser Technologie für Anwendungen einschränkt, die schnelle Lesezugriffe auf Abruf oder Berichtsintervalle von weniger als einer Minute erfordern.
• Der Downlink-Durchsatz ist begrenzt, was sich auf die Zeitpläne für die Bereitstellung von OTA-Firmware-Updates bei großen Gerätebeständen auswirkt
• NB-IoT Die Netzabdeckung ist weltweit noch nicht einheitlich; in einigen Regionen muss in Gebieten, in denen NB-IoT von den lokalen Netzbetreibern noch nicht vollständig bereitgestellt wird, weiterhin auf LTE-M oder 4G Cat-1 als Ausweichlösung zurückgegriffen werden.

LTE-M ist die richtige Wahl für Smart-Metering-Anwendungen, bei denen die Einschränkungen von NB-IoTzu betrieblichen Problemen führen:

• Einsätze von Advanced Metering Infrastructure (AMI), bei denen bedarfsgesteuerte Zählerablesungen erforderlich sind, die vom Head-End-System des Versorgungsunternehmens initiiert werden, und bei denen die Latenz beim Aufbau der Verbindung über das „ NB-IoT“ zu hoch ist, um die Anforderungen an die Reaktionszeit zu erfüllen
• Einsätze in Regionen, in denen die Netzabdeckung von NB-IoT unvollständig ist und LTE-M eine bessere Netzabdeckung bietet
• Messgeräte, die regelmäßige OTA-Firmware-Updates innerhalb kurzer Zeiträume erfordern, wobei der höhere Downlink-Durchsatz des „ LTE-M“ die Übertragung großer Update-Pakete praktikabel macht

LoRaWAN ist relevant für Messanwendungen im Versorgungsbereich, bei denen der Versorger eine eigene private Netzwerkinfrastruktur betreibt und bei denen der extrem geringe Stromverbrauch sowie die niedrigen Netzwerkkosten pro Gerät des „ LoRa “ (DSS) einen größeren Mehrwert bieten als die Verwaltung über Mobilfunknetze, wie sie von „ NB-IoT “ oder „ LTE-M“ bereitgestellt wird. „ LoRaWAN “ verursacht Kosten für die Gateway-Infrastruktur sowie den Verwaltungsaufwand für ein privates Netzwerk, was die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu einer Mobilfunklösung, bei der der Netzbetreiber das Netzwerk verwaltet, verändert. Für Versorgungsunternehmen mit bestehender „ LoRaWAN “-Infrastruktur oder einer ausgeprägten Präferenz für private Netzwerke im Bereich der Betriebstechnologie ist dies eine praktikable Lösung für die Messdatenübertragung. Für Versorgungsunternehmen ohne diese Infrastruktur macht der betriebliche Aufwand Mobilfunk in der Regel zur praktischeren Wahl.

RF-Mesh-Netzwerke unter Verwendung von Standards wie Wi-SUN (IEEE 802.15.4g) werden von einigen Energieversorgern als speziell für diesen Zweck entwickeltes AMI-Netzwerk eingesetzt. Wi-SUN-Mesh bietet eine Verbindung mit hoher Bandbreite und geringer Latenz für dichte städtische Zählerinstallationen, wobei die Zähler als Mesh-Knoten fungieren, um die Abdeckung zu erweitern. Die Nachteile sind hohe Investitionskosten für die Mesh-Infrastruktur, geografische Einschränkungen beim Aufbau des Mesh-Netzwerks sowie die betriebliche Komplexität, die mit der Verwaltung eines proprietären Mesh-Netzwerks neben den anderen Systemen des Energieversorgers einhergeht. Für Energieversorger, die groß angelegte AMI-Neuinstallationen anstreben, sind das Wi-SUN-Mesh-Netzwerk und das Mobilfunk- NB-IoT -Netzwerk die beiden Architekturen, die eine ernsthafte Bewertung verdienen.

eUICC sowie die Fernaktivierung von SIM-Karten für Bereitstellungen im Jahrzehntmaßstab

Kein Aspekt der Konnektivitätsarchitektur für intelligente Stromzähler ist für den langfristigen Erfolg des Programms von größerer Bedeutung als die SIM-Strategie und die Frage, ob von Anfang an ein „ eUICC “ mit der Möglichkeit zur Fernkonfiguration der SIM-Karten integriert wird.

Die Mobilfunklandschaft wird sich im Laufe der Betriebsdauer eines heute installierten intelligenten Zählers mehrfach verändern. Netzbetreiber in mehreren Märkten planen bereits die Abschaltung von 2G- und 3G-Netzen oder führen diese bereits durch. Die Weiterentwicklung der LTE -Netzwerke schreitet voran. NB-IoT und LTE – Die Einführung von 5G-Netzen durch Netzbetreiber nimmt in einigen Märkten zu, während sie sich in anderen konsolidiert. Ein Zähler mit einer festen SIM-Karte, die für einen bestimmten Netzbetreiber und eine bestimmte Technologie bereitgestellt wurde, kann sich ohne physischen Zugriff auf das Gerät nicht an diese Änderungen anpassen, was im Maßstab der Versorgungseinrichtungen einen Einsatz vor Ort bei jedem betroffenen Zähler bedeutet. Die Kosten für einen solchen Einsatz bei Millionen von Endgeräten sind unerschwinglich.

eUICC Die Fernkonfiguration von SIM-Karten über die Spezifikation „ GSMA “ (SGP.02 ) für M2M-Anwendungen oder die neuere „ SGP.32 “ für IoT-Geräte mit eingeschränkten Ressourcen bietet die Möglichkeit, neue Netzbetreiberprofile OTA zu übertragen, ohne physischen Zugriff auf die Geräte zu benötigen. Wenn ein Netzbetreiber eine Netzwerktechnologie ausläuft oder ein Versorgungsunternehmen beschließt, seinen Messdatenverkehr aus Kosten- oder Abdeckungsgründen auf einen anderen Netzbetreiber umzustellen, erfolgt die Umstellung programmgesteuert über den gesamten installierten Bestand hinweg und nicht im Rahmen eines Vor-Ort-Einsatzprogramms.

SGP.32 ist für NB-IoT und batteriebetriebene Messgeräte relevant, da es den Energieaufwand für RSP-Vorgänge im Vergleich zu SGP.02 reduziert. Bei einem batteriebetriebenen NB-IoT -Zähler im PSM-Modus ist das für jeden einzelnen Wake-Zyklus verfügbare Energiebudget stark begrenzt. Die IoT-optimierte Profilverwaltungsarchitektur von SGP.32hält die RSP-Vorgänge innerhalb dieser Grenzen, was bei SGP.02 nicht der Fall ist.

Die Entscheidung für den Einsatz von Zählern mit „ eUICC “-Funktion gegenüber Zählern mit fest eingebauter SIM-Karte ist in der Regel eine Kostenentscheidung zum Zeitpunkt der Beschaffung: Hardware mit „ eUICC “-Funktion ist teurer als entsprechende Modelle mit fest eingebauter SIM-Karte. Die Kalkulation ändert sich jedoch erheblich, wenn der gesamte Programmlebenszyklus berücksichtigt wird. Eine einzelne Netzbetreiber-Migration, die ohne „ eUICC “ bei einer Installation mit einer Million Endgeräten durchgeführt wird, stellt selbst bei konservativ geschätzten Kosten für den Vor-Ort-Einsatz pro Zähler ein Kapitalrisiko dar, das den Aufpreis für „ eUICC “-Hardware um ein Vielfaches in den Schatten stellt.

Netzwerkarchitektur für die Integration von AMI-Kopfstellen

Die Vernetzung von intelligenten Zählern endet nicht am Zähler selbst. Der Datenpfad vom Zähler zum Head-End-System des Energieversorgers umfasst eine Verbindungsebene, eine Datenmanagement-Plattform sowie Schnittstellen zu Abrechnungs-, Störungsmanagement- und Kundeninformationssystemen, die jeweils eigene Anforderungen mit sich bringen.

Die Verbindungsebene zwischen den installierten Zählern und der AMI-Zentrale des Versorgungsunternehmens muss Folgendes unterstützen:

• Bidirektionale Kommunikation: Die meisten modernen AMI-Implementierungen erfordern nicht nur die Datenübertragung vom Zähler zum Kopfende, sondern auch die Befehlsübertragung vom Kopfende zum Zähler für bedarfsgesteuerte Ablesungen, Manipulationswarnungen, Fernabschalt- und -wiederanschaltvorgänge sowie die Bereitstellung von Firmware-Updates. Diese Anforderung an die Bidirektionalität wirkt sich auf die Technologieauswahl aus, da nicht alle Technologien für die „ LPWAN “ eine zuverlässige Befehlsübertragung in Richtung des Zählers mit den für Fernabschaltvorgänge erforderlichen Latenzprofilen unterstützen.
• Konfiguration des privaten „ APN “: Die Übertragung von Zählerdaten über öffentliche Internetsegmente stellt in den meisten Rechtsräumen ein regulatorisches und sicherheitstechnisches Risiko dar. Eine private „ APN “-Verbindung, bei der der Zählerdatenverkehr direkt zur Netzwerkinfrastruktur des Versorgungsunternehmens geleitet wird, ohne öffentliche Internetwege zu durchlaufen, ist bei IoT-Implementierungen von Versorgungsunternehmen jeder Größenordnung gängige Praxis.
• Statische IP-Adressen oder Adressierung von Gerätegruppen: AMI-Kopfstellensysteme erfordern in der Regel eine deterministische Netzwerkadressierung für die Zählerverwaltung. Die dynamische IP-Zuweisung aus Verbraucher- oder Standardkonfigurationen unter IoT SIM ist mit den Adressierungsanforderungen der meisten AMI-Softwareplattformen nicht kompatibel.
• Steuerung des Datenvolumens: Bei einer Million Endpunkten, die mehrmals täglich Daten übertragen, summieren sich selbst kleine Datenmengen zu erheblichen Datenvolumina. Plattformen für das Konnektivitätsmanagement, die eine gebündelte Datenverwaltung, eine Nutzungsüberwachung pro Gerätegruppe und eine automatisierte Reaktion auf anomale Verbrauchsereignisse bieten, sind im Versorgungsmaßstab betrieblich unverzichtbar.

Anforderungen an die Konnektivität, Ausfallsicherheit und Redundanz

Die Verbrauchsmessung im Versorgungsbereich gehört zu einem Bereich der IoT-Infrastruktur, in dem Verbindungslücken regulatorische Konsequenzen nach sich ziehen. Die meisten Versorgungskommissionen stellen Anforderungen an die Genauigkeit und Vollständigkeit der Abrechnungsdaten, und anhaltende Verbindungsausfälle bei einem messbaren Prozentsatz der Endpunkte lösen behördliche Meldepflichten und Kundenschutzmaßnahmen aus.

Die Ausfallsicherheitsarchitektur für die Konnektivität im Bereich Smart Metering muss zwei Ausfallarten berücksichtigen:

Einzelne Verbindungsausfälle bei Geräten treten auf, wenn ein bestimmtes Messgerät aufgrund von Netzwerkänderungen, SIM-Kartenproblemen oder Veränderungen der lokalen Funkumgebung die Mobilfunkverbindung verliert. Eine Plattform für das Verbindungsmanagement mit gerätebezogener Statusüberwachung und automatischer Alarmierung macht diese Fehler für die Untersuchung vor Ort sichtbar, bevor sie zu einem Problem bei der Abrechnungsgenauigkeit führen.

Netzwerkereignisse auf regionaler Ebene oder auf Betreiberebene betreffen mehrere Zähler gleichzeitig, wenn bei einem Netzbetreiber ein Ausfall auftritt oder Netzwerkwartungsarbeiten durchgeführt werden. Eine Multi-Carrier-SIM-Architektur bietet Ausfallsicherheit gegenüber Ereignissen bei einzelnen Netzbetreibern, indem sie es den betroffenen Geräten ermöglicht, auf das Netzwerk eines alternativen Netzbetreibers umzuschalten. Für ein Versorgungsunternehmen mit behördlich vorgeschriebenen Anforderungen an die Abrechnungsgenauigkeit bedeutet diese Failover-Fähigkeit den Unterschied zwischen einem beherrschbaren Netzwerkereignis und einem meldepflichtigen Ausfall der Datenerfassung bei einer großen Anzahl von Zählern.

Die Konnektivitätsinfrastruktur von KORE erfüllt beide Anforderungen an die Ausfallsicherheit durch eine Multi-Carrier-SIM-Architektur, die auf Partnerschaften mit über 40 Netzbetreibern in mehr als 200 Ländern basiert, kombiniert mit der gerätebasierten Überwachung, automatisierten Warnmeldungen und Netzwerkrichtlinienkontrollen der „ ConnectivityPro “-Plattform. Mit über 21 Millionen aktiven SIM-Karten, die in der Versorgungsbranche und anderen Branchen im Einsatz sind, spiegelt sich die operative Erfahrung mit groß angelegten festen IoT-Implementierungen dieser Komplexitätsstufe sowohl in der Infrastrukturarchitektur als auch im Supportmodell wider.

Planung für den gesamten Programmlebenszyklus

Smart-Metering-Programme sind Infrastrukturprogramme und keine Technologieprojekte. Die bei der Programmkonzeption getroffenen Entscheidungen zur Netzwerkarchitektur werden die betrieblichen Ergebnisse für fünfzehn bis zwanzig Jahre bestimmen. Der Umfang der Bewertung der Konnektivitätsinfrastruktur sollte entsprechend festgelegt werden.

Wichtige Entscheidungen, die unter Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus getroffen werden müssen:

• eUICC im Vergleich zu festen SIM-Karten, bewertet anhand der prognostizierten Kosten für Anbieterwechsel und Netztechnologieumstellungen über die gesamte Betriebsdauer
• NB-IoT LTE-M im Vergleich zu Hybrid, bewertet anhand der aktuellen und prognostizierten Netzabdeckung der Netzbetreiber in den Einsatzgebieten
• Private „ APN “- und statische IP-Architektur, bewertet anhand der Adressierungs- und Routing-Anforderungen des AMI-Headends
• Funktionen der Plattform für das Konnektivitätsmanagement, bewertet im Hinblick auf den betrieblichen Umfang der Verwaltung von Millionen von SIM-Karten im Rahmen eines jahrzehntelangen Programms

Die Kosten pro Einheit für die Konnektivität, die im ersten Jahr eines Programms günstig erscheinen, können ganz anders aussehen, wenn die Gesamtlebenszykluskosten einer festen SIM-Architektur mit einbezogen werden. Versorgungsunternehmen, die die Konnektivitätsinfrastruktur als reine Beschaffungsentscheidung betrachten, und solche, die sie als programmbestimmende Infrastrukturentscheidung bewerten, kommen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen hinsichtlich der Gesamtbetriebskosten.

Wenn sich Ihr Unternehmen in der Planungs- oder Beschaffungsphase eines Smart-Metering- oder Versorgungs-IoT-Programms befindet, sprechen Sie mit einem KORE-Konnektivitätsingenieur über die Infrastrukturarchitektur, die Ihrem Einsatzumfang, Ihrer geografischen Lage und der Laufzeit Ihres Programms entspricht.

 

Veröffentlicht am 1. Juni 2026.