IP-basierte Fernwirknetze über GSM, UMTS, WLAN, Wimax und Tetra
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Prozess- & Utilityautomation
IP-basierte Fernwirknetze über GSM,
UMTS, WLAN, Wimax und Tetra
Ralf Thomas • Martin Zehrfeldt
Frage nach deren Eignung für die
Vielschichtige Dienstangebote öffentlicher Funknetzbetreiber schmalbandige Fernwirkdatenübertra-
und neue IP-basierte Technologien für den Aufbau privater Funk- gung mit dem dafür genormten hochsi-
cheren Übertragungsprotokoll nach
netze ermöglichen nun auch in ländlichen Gebieten die Prozess- IEC 60870-5-104 [2, 3] auf. Eine Vielzahl
datenübertragung auf der Basis des internationalen Standards von Diensten für Daten-, Sprach- und
IEC 60870-5-104. Die Auswahl der Technologie ist abhängig von Videoinformationen kommunizieren in
den technischen Anforderungen und von wirtschaftlichen Über- derartigen Netzen nebeneinander über
virtuelle Kanäle mit reservierter Dienst-
legungen zu Investitions- und Betriebskosten. Diese Technologie-
güte (QoS). Die wichtigsten Vorausset-
analyse, basierend auf Erfahrungen aus verschiedenen Projekt- zungen für deren Eignung sind:
lösungen, soll den Netzbetreibern eine Entscheidungshilfe für die • eine hohe Verfügbarkeit der Dienste
Systemtechnik sein und Konzepte für den Netzausbau anbieten. (QoS) mit nur geringen Dienstunterbre-
chungen und Verzögerungszeiten
(Latenzen),
Technische Anforderungen an und Pflege eines unabhängigen Übertra- • die Duplexfähigkeit dieser Funktech-
Fernwirkverbindungen gungsnetzes werden reine Fernwirküber- nologien, welche das komplexe Proto-
Der Einsatz von Fernwirktechnik zur tragungsnetze mehr und mehr durch die koll-Handshake für Melde- und Be-
Steuerung und Überwachung von Infras- Integration moderner IP-basierter Über- fehlsrichtung bei höchster Dateninteg-
trukturnetzen stellt an die Kommunika- tragungsdienste über eine einheitliche rität ermöglicht und
tion zwischen Prozessstation und Netz- Netzinfrastruktur substituiert. Dabei kön- • ein quasi-determiniertes Zeitverhalten
leitstelle hohe Anforderungen [1]. Aus nen Netze öffentlicher Funknetzbetreiber der Übertragungsstrecke, mit geringen
diesem Grund wurden in der Vergangen- problemlos in ein einheitliches IT-Kon- Laufzeitunterschieden (Jitter), die eine
heit für diese Applikation oft separate zept integriert und zentral gemanagt wer- hinreichend genaue Zeitsynchronisa-
Netzstrukturen auf der Basis von Kupfer- den. tion mit NTP/SNTP ermöglichen, um
oder Lichtwellenkabel und Richtfunkver- Die Verfügbarkeit neuer Dienstangebo- eine einheitliche Zeitführung der Pro-
bindungen errichtet. te öffentlicher Funknetzbetreiber und zessstationen und die Zeitfolgerichtig-
Angesichts der hohen Investitions- und neue IP-basierte Technologien für den keit der einzelnen Informationen
den Folgekosten für die Unterhaltung Aufbau privater Funknetze werfen die sicherzustellen.
2 E80127Bfe Thomas_IDS Seite 2
Heft 1/2008 •
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IP-basierte Funknetze mit Datendiensten • Schutzapplikationen gegen Angriffe Bei den klassischen GSM-Datendiensten
über das Internet sind hinsichtlich fahr- auf das Prozessnetz und CSD und HSCSD wird eine schmalbandi-
lässiger Handlungen und vorsätzlicher • die Zeitsynchronisation der Prozess- ge Punkt-zu-Punktverbindung (9,6 kbit/s
Angriffe besonders gefährdet. Zur Si- stationen. bzw. 43,2 kbit/s) mit zugesicherter
cherstellung eines effektiven Schutzes Dienstgüte zu einer festen Gegenstelle
der Datenverbindung sind Verfahren zur Fernwirken über GSM aufgebaut. Die Abrechnung erfolgt nach
Authentifizierung und Verschlüsselung (CSD, HSCSD, GPRS) Verbindungszeit, daher werden diese
von Daten notwendig. Die typischen Das GSM-Netz ist das am besten aus- Dienste nicht dauerhaft in Anspruch ge-
Schutzmechanismen Firewall, IP-VPN- gebaute Infrastrukturnetz weltweit. Es nommen. Typische Anwendungen sind
Tunnel und VPN-Dienste müssen von werden nahezu flächendeckende Daten- die Anbindung von Datenloggern und
den Dienstangeboten unterstützt werden dienste mit Zeit- und Volumentarifen Störmeldesystemen oder die Nutzung als
[4]. Die typischen Anforderungen an die angeboten. Für die Fernwirkdatenüber- Ersatzweg für größere Prozessstationen.
Leistungsmerkmale sind in Tabelle 1 zu- tragung ist die Nutzung dieses Netzes als Die IP-basierten GSM-Datendienste
sammengestellt. Haupt- oder Ersatzweg weit verbreitet, je- über das Internet wie GPRS [7] und GPRS
doch grenzt die geringe Bandbreite Edge bieten höhere Datenraten (bis ca.
Vielschichtige Systemangebote Videoanwendungen weitgehend aus. 171 kbit/s) und eine variable Ankopplung
Neben den öffentlichen Netzen wie
GSM und UMTS, bieten regionale oder
private Netze auf Basis von Tetra, Leistungsmerkmal Typische Anforderung für eine
WLAN, oder Wimax unterschiedlichste Fernwirkverbindung nach
IEC 60870-5-101/-104 [2, 3, 5, 6]
Lösungen für eine IP-basierte Fernwirk-
datenübertragung an. Diese Systeme Bandbreite 2 kbit/s … 100 kbit/s
unterscheiden sich sowohl hinsichtlich
Übertragungsverfahren Vollduplex oder Halbduplex mit
ihrer technischen Leistungsmerkmale,
Umschaltzeit < 0,1 s
wie Datenrate, Latenz, Jitter, Paketver-
luste und Bitfehlerrate als auch bezüg- Dienstverfügbarkeit > 95 % (pro Stunde)
lich der Investitionskosten und Tarife. Dienstunterbrechung < 10 s
Im Folgenden sollen die verschiedenen
Systemangebote in Bezug auf ihre Eig- Laufzeit (Latenz)
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zur Verfügung. Die gelegentlichen Dienst- nes gesicherten VPN-Tunnels hergestellt.
Dr.-Ing. Ralf Thomas (45), VDE, hat unterbrechungen können durch die Kurz- Allerdings beschränkt sich die territoria-
Elektrotechnik in der Fachrichtung
Nachrichtentechnik an der HfV Dres- und Langzeitarchivmechanismen der le Abdeckung des Netzes auf Ballungsge-
den studiert. Er ist Abteilungsleiter Fernwirknorm IEC 60870-5-104 [2, 3] biete und entlang wichtiger Verkehrswe-
bei der IDS GmbH in Ettlingen und sehr gut kompensiert werden. ge. Mit zunehmender Netzabdeckung und
dort zuständig für die Qualitätssi- sinkenden Tarifen dürfte dieses Netz für
cherung. E-Mail: ralf.thomas@ids.de Fernwirken über UMTS die Fernwirkdatenübertragung interes-
Das Verhalten des in Zellstrukturen santer werden.
aufgebauten UMTS-Netzes ähnelt für Da-
tendienste dem einer GPRS-Verbindung, Fernwirken über Richtfunk
bietet aber regional höhere Datenraten (in (WLAN, Wimax)
Dipl.-Ing. Martin Zehrfeldt (39), hat
Elektrotechnik in der Fachrichtung der Praxis bis 384 kbit/s). Auch hier wird In den kommenden Jahren werden
Automatisierungssysteme an der eine Verbindung für die Prozessdaten- Richtfunklösungen für die Internetanbin-
FH Hamburg und Nachrichtentechnik übertragung über das Internet mittels ei- dung von schwer zugänglichen Standor-
an der TH Hamburg–Harburg stu-
diert. Er ist Application Manager
bei der IDS GmbH in Ettlingen.
E-Mail:
martin.zehrfeldt@ids.de
erk
Ne tzw Netzleitstelle
-
SDH Notwarte
an mehrere Gegenstellen. Nachteilig ist,
dass die Dienstanbieter keine dauerhafte
Dienstgüte garantieren können, da die Lager
Datendienste nachrangig zu den Sprach- Firewall
diensten behandelt werden.
Die Erreichbarkeit einer GPRS-Fern-
wirkstation wird mittels einer VPN-Ver- Firewall
bindung über IPsec-, PPTP- oder L2TP- Verwal-
Protokoll über das Internet hergestellt. @ el tung
Viele Funknetzbetreiber bieten mittler- - T unn Nahsteu-
/
VPN GSM S erung
weile günstige Zusatzdienste an, mit de- R
Netzleitstelle GP Video
nen eine GPRS-Fernwirkstation als gesi- Prozess- IP-Telefon
Hauptwarte
cherter Zugangspunkt (VPN-Server) im station
Internet zu erreichen ist. Eine GPRS-Ver-
bindung stellt eine Quasi-Standleitung Bild 1. Typische Struktur von WLAN- und Wimax-Netzen
4 E80127Bfe Thomas_IDS Seite 4
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ten mit WLAN nach IEEE 802.11 [8, 9] werden. Als einen der wesentlichen Vor- geeignet. Bei kundenseitig vorhandener
und Wimax nach IEEE 802.16 [10, 11] an züge von Wimax kann die Sicherstellung Netzinfrastruktur bietet Tetra als Be-
Bedeutung gewinnen. Die Vorteile dieser der Dienstgüte gesehen werden, die von triebsfunk eine integrierte und bandbrei-
Systeme, wie hohe Datenraten sicherheitsrelevanten Fernwirklösungen teneffiziente Nutzung von Sprach- und
(> 1 Mbit/s) auf permanenten Verbindun- gefordert werden. Inwieweit durch die Datendiensten. Die Datenkommunikation
gen und geringe Latenzen, lassen deren Wimax-Dienstanbieter zukünftig defi- wird hier vorrangig als transparenter Da-
Nutzung für die Prozessüberwachung nierte Dienstgüte, VPN und günstige Flat- tenstrom zwischen zwei Teilnehmern ge-
und -steuerung im breiten Stil erwarten. rates für Fernwirkanwendungen angebo- nutzt. In Tetra-Netzen sind drei Daten-
Die WLAN- und Wimax-Standards eig- ten werden, bleibt aber noch abzuwarten. dienste definiert [12]:
nen sich hervorragend für den Aufbau ei- • SDS (Short Data Service), ein SMS-
ner eigenen zentralisierten Netzinfra- Fernwirken über Tetra ähnlicher Dienst, eingebettet in den
struktur als Ersatz für Standleitungen. Die Das im Wesentlichen von Behörden Sprachkanal und nur geeignet zur
Netztopologie entspricht einer sternför- und Netzbetreibern genutzte zellulare Übertragung von Störmeldungen,
migen Punkt-zu-Multipunktstruktur. Von Netz „Tetra“ (Terrestrial Trunked Radio) • PDA (Packet Data Application), die
der Kleinstanwendung, der Kopplung ist ebenfalls gut für die Fernwirkdaten- Übertragung von IP-Paketen in einem
zweier Fernwirkstationen, bis hin zur übertragung nach IEC 60870-5-104 [2, 3] separaten Tetra-Kanal mit garantierter
Standortvernetzung über eine 50 km lan-
ge Richtfunkstrecke sind hier zahlreiche
Systeme am Markt erhältlich. Zudem ste-
ADSL, VDSL
hen lizenzfreie Bänder zur Verfügung,
deren Nutzung dem Betreiber keine lau- 8 000 FTP
fenden Kosten verursacht. Wesentlicher kbit/s WLAN, Wimax
Nachteil dieser Bänder sind zu erwarten-
de Frequenzstörungen durch andere 768
Funksysteme in den lizenzfreien Berei- Video
chen. Bereits heute können Versorgungs- 512
Bitrate
betriebe eigene Systeme errichten, deren UMTS
typische Struktur in Bild 1 dargestellt ist. 192
In den nächsten Jahren werden landes- VoIP GPRS
weit kommerzielle und regionale Wimax- 64 ISDN
Netze aufgebaut, mit dem Ziel in länd-
IEC 60870-5-104 [2, 3]
lichen Regionen schnelle Internetzu- 32
CSD SNMP
gangspunkte zur Verfügung zu stellen.
Über eine gesicherte VPN-Verbindung 0,02 0,05 0,1 0,2 1 s 10
können diese Internetzugangspunkte Latenzzeit
(Hotspots) für die Anbindung einer Fern-
wirkstation oder Netzleitstelle genutzt Bild 2. Vergleich der Dienstgüte (QoS) unterschiedlicher Übertragungsdienste
• Heft 1/2008 E80127Bfe Thomas_IDS Seite 5
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Abkürzungen
ADSL Asymmetrical Digital Subscriber
Line [2, 3] benötigt nur geringe Bandbreiten Wegen der Vielzahl von Systemangebo-
CSD Circuit Switched Data und kommt mit GSM-typischen Latenzen ten sollten jedoch zur Auswahl des ge-
Edge Enhanced Data Rates for GSM von über 200 ms bestens zurecht. Bei die- eigneten Systems zuerst die technischen
Evolution ser Fernwirkapplikation stehen vorrangig und wirtschaftlichen Anforderungen des
FTP File Transfer Protocol der gesicherte Datendurchsatz und die Nutzers detailliert beschrieben und dann
GPRS General Packet Radio Service schnelle Verarbeitung von spontanen an den Eigenschaften des Systems ge-
GSM Global System for Mobile Kurzinformationen im Vordergrund. Hier- spiegelt werden.
Communication zu bietet diese Fernwirkkommunikations-
HSCSD High Speed Circuit Switched norm spezielle Mechanismen zur Fluss- Literatur
Data steuerung und Priorisierung der Daten. [1] Thomas, R.; Schweitzer, D.: Fernwirktechnik:
Das Gateway zwischen Automatisierungs-,
IP Internet Protocol Ein Sprachdienst wie Voice over IP
Schutz- und Leittechnik. S. 489–496 in ETG-
IPsec Internet Protocol Security (VoIP) hingegen benötigt je nach ver- Fachbericht 108. Internationaler ETG-Kon-
ISDN Integrated Services Digital wendeten Codec eine sehr gute Latenz gress vom 23.10.–24.10.2007 in Karlsruhe
Network von unter 30 ms. Für die Sprachdaten- (Baden). Berlin · Offenbach: VDE VERLAG
L2TP Layer 2 Tunneling Protocol kommunikation müssen die Pakete als (ISBN 978-3-8007-3064-3)
[2] IEC 60870-5-104:2000-12 Telecontrol equip-
MDA Multislot Packet Data Application kontinuierlicher Datenstrom mit vertret- ment and systems – Part 5-104: Transmission
NTP Network Time Protocol baren Verzögerungszeiten ausgetauscht protocols – Network access for IEC 60870-5-
PDA Packet Data Application werden können. Eine Bürovernetzung 101 using standard transport profiles. Genf/
PPTP Point-to-Point Tunneling Protocol hingeben benötigt vorrangig nur hohe Schweiz: Bureau Central de la Commission
Electrotechnique Internationale
QoS Quality of Service Bitraten. Da hier große Datenpakete ver-
(ISBN 2-8318-5576-4)
SDH Synchrone Digitale Hierarchie wendet werden, wirken sich große Laten- [3] DIN EN 60870-5-104:2002-01 Fernwirkein-
SDS Short Data Service zen hier nicht negativ aus. richtungen und -systeme – Teil 5-104: Über-
SMS Short Message Service Wenn man die GSM-Kommunikations- tragungsprotokolle – Zugriff für IEC 60870-5-
SNMP Simple Network Management dienste (CSD, HSCSD und GPRS), UMTS, 101 auf Netze mit genormten Transportprofi-
len. Berlin: Beuth
Protocol WLAN, Wimax und Tetra miteinander [4] Thomas, R.; Gerber, C.: IEC 61850, IP-Gateways
SNTP Simple Network Time Protocol vergleicht, sind neben den technischen und Safety in leittechnischen Netzen. etz Elekt-
Tetra Terrestrial Trunked Radio Unterschieden auch die Netzabdeckung, rotech. + Autom. 128 (2007) H. 1, S. 18–21
UMTS Universal Mobile Telecommuni- Verfügbarkeit und Tarifstrukturen zu be- (ISSN 0948-7387)
[5] IEC 60870-5-101:2003-02 Telecontrol equip-
cations System trachten (Tabelle 2).
ment and systems – Part 5: Transmission pro-
VDSL Very high Data Digital Subscriber Das gut ausgebaute GSM-Netz ist im tocols – Section 101: Companion standard for
Line Vergleich zum UMTS-Netz zurzeit nahezu basic telecontrol tasks. Genf/Schweiz: Bureau
VoIP Voice over IP flächendeckend in Europa ausgebaut. Central de la Commission Electrotechnique
VPN Virtual Private Network GPRS als IP-basierten Kommunikations- Internationale (ISBN 2-8318-6836-X)
[6] DIN EN 60870-5-101:2003-12 Fernwirkein-
WAN Wide Area Network dienst steht annähernd überall innerhalb richtungen und -systeme – Teil 5-101: Über-
Wimax Worldwide Interoperability for des GSM-Netzes zur Verfügung und wird tragungsprotokolle – Anwendungsbezogene
Microwave Access kontinuierlich durch den schnelleren Norm für grundlegende Fernwirkaufgaben.
WLAN Wireless Local Area Network Dienst GPRS Edge ergänzt. WLAN und Berlin: Beuth
[7] Seiler, A.: Einbindung von Unterstationen in
Wimax lassen sich sowohl als Internetzu-
den Netzbetrieb über GPRS. S. 57–62 in ETG-
gangspunkte als auch für den Aufbau ei- Fachbericht 108. Internationaler ETG-Kon-
mierten Fernwirkprotokollen nach gener Infrastruktur als unternehmensin- gress vom 23.10.–24.10.2007 in Karlsruhe
IEC 60870-5-104 kein wirklicher Nach- terne WAN-Lösung zur Fernwirkdaten- (Baden). Berlin · Offenbach: VDE VERLAG
teil. Allerdings wird man auf breitbandi- übertragung nutzen. Die aus der Internet- (ISBN 978-3-8007-3064-3)
[8] IEEE 802.11-2007 15.4-2006 Standard for
ge Anwendungen, wie Netzleitstellen- welt bekannten nicht prognostizierbaren LAN/MAN – Specific requirements – Part 11:
Kopplungen oder Videoüberwachung Latenzen und Jitter bei Verwendung von Wireless LAN medium access control (MAC)
verzichten müssen. GPRS, UMTS, WLAN und Wimax müssen and physical layer (PHY) Specifications (ISBN
jedoch an den Anforderungen für die Pro- 978-0-7381-5656-9). Zu beziehen über IEEE
Vergleich der Systeme für zessdatenübertragung gemessen werden. Customer Service, 445 Hoes Lane, P. O. Box
Fernwirkapplikationen 13 31, Piscataway, NJ 08855-1331, USA
Netzbetreiber, die eine eigene Tetra- (www.standards.ieee.org)
Ob eine IP-basierte Applikation über- Infrastruktur aufbauen, erhalten ein [9] Gast, M. S.: IEEE 802.11 Wireless networks:
haupt über einen Kommunikationsdienst integriertes und abhörsicheres System für The definitive guide. Sebastopol, Kalifornien/
genutzt werden kann, hängt maßgeblich die Sprach- und Datenübertragung. Bei USA, u. a.: O’Reilly, 2002
(ISBN 978-0-5960-0183-4)
von der jeweiligen Dienstgüte ab. Bei pa- niedrigen Anforderungen an die Daten- [10] IEEE 802.16-2004 8 Standard for local and
ketorientierten Übertragungsdiensten wird rate eignet sich dieses Netz auch für die metropolitan area networks – Part 16: Air
die Dienstgüte im Wesentlichen durch die IP-basierte Fernwirkdatenübertragung. interface for fixed broadband wireless access
Parameter Bitrate, Latenz, Jitter und die systems (ISBN 978-0-7381-4069-8). Zu bezie-
Bitfehlerrate bestimmt und unter dem Ausblick hen über IEEE Customer Service, 445 Hoes La-
ne, P. O. Box 13 31, Piscataway, NJ 08855-
Oberbegriff Quality of Service (QoS) be- Für die Fernwirkübertragung haben 1331, USA (www.standards.ieee.org)
schrieben. Neben der Bitrate sind be- sich zukünftig vorrangig skalierbare IP- [11] Andrewsa, J.; Ghosh, A.; Muhamed, R.: Fun-
sonders die Latenzen, also die Zeit bis zu basierte Normen, wie die IEC 60870-5- damentals of WiMAX. Upper Saddle River,
der ein neues Paket übermittelt werden 104 [2, 3] durchgesetzt. Mit dieser kann New York/USA, u. a.: Prentice Hall, 2007
(ISBN 978-0-1322-2552-6)
kann, für die Applikation wesentlich. sich der Anwender variabel auf die unter- [12] Stavroulakis, P.: Terrestrial Trunked Radio –
Bild 2 verdeutlicht diesen Zusammenhang. schiedliche Dienstgüte und die vertrag- TETRA. Berlin, u. a.: Springer, 2007
Der Datendienst nach IEC 60870-5-104 lichen Rahmenbedingungen einstellen. (ISBN 978-3-5407-1190-2)
• Heft 1/2008 E80127Bfe Thomas_IDS Seite 7
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