\documentclass[a4paper,11pt]{article} \usepackage[utf8]{inputenc} \usepackage[ngerman]{babel} \usepackage{hyperref} \usepackage{tikz} \usepackage{booktabs} \usepackage{svg} \usepackage{float} \usepackage{xcolor} \usepackage{threeparttable} \usepackage{icomma} \usepackage{todonotes} \setlength{\emergencystretch}{1em} \clubpenalty = 10000 \widowpenalty = 10000 \displaywidowpenalty = 10000 \newcommand{\remark}[1]{\textcolor{red}{\textit{#1}}} \newcommand{\masthoehe}{4,5~m} \newcommand{\masthoehezwei}{3,5~m} \newcommand{\mindist}{150~m} \newcommand{\ludicrousheight}{10~m} \title{Antrag: Mercator Hochhaus} \author{Daniel Ehlers, Tobias Schramm} \begin{document} \title{Antrag zur Installation einer Freifunk-Dachinstallation auf dem Mercator-Hochhaus} \maketitle \begin{description} \item[Antragsteller:] Offene Netze Nord e.V. \\ Fraunhofer Str. 2-4, c/o Toppoint e.V, 24118 Kiel \item[Antragsempf\"anger:] Gebäudemanagement Schleswig-Holstein AöR (GMSH) \\ Gartenstraße 6, 24103 Kiel \end{description} \section{Antragsgegenstand} Dieser Antrag umfasst die Errichtung einer Freifunk-Dachinstallation auf dem Mercator-Hochhaus (Mercatorstra{\ss}e~3, 24106 Kiel). Im einzelnen wird beantragt: \begin{itemize} \item Die Errichtung von zwei Masten mit H\"ohen von {\masthoehe} und {\masthoehezwei} auf dem Dach des Mercator-Hochhauses. \item Die Bereitstellung von 230V/16A Schutzkontakt-Stromanschl\"ussen an jedem Mast. \item Die Bereitstellung von jeweils zwei Netzwerkanschl\"ussen (2x Cat.~7, Keystone Jack) von beiden Masten zum existierenden Technikraum im Dachgeschoss. \item Die Bereitstellung von zwei benachbarten H\"oheneinheiten in einem (vorhandenen) Netzwerkschrank im Technikraum im Dachgeschoss. \item Die Erlaubnis zur Installation von Freifunkhardware an den errichteten Masten sowie von zentralen Komponenten im Technikraum. \end{itemize} Dabei gehen wir in Sektion \ref{sec:mast} genauer auf die Anforderungen bez\"uglich der Masten ein, beleuchten in Sektion \ref{sec:kabelinstallation} zus\"atzlich Anforderungen an die Kabelinstallation und er\"ortern in Sektion \ref{sec:technikraum} die Anforderungen an den Technikraum. Die entstehende Freifunkinstallation dient dazu die Abdeckung und Geschwindigkeit des Freifunknetzwerkes zu verbessern und insbesondere auch bisher unterversorgte Gebiete (z.B. die Gemeinschaftsunterkunft Kiel-Wik) mit schnellerem Internet zu versorgen. \section{Mast} \label{sec:mast} Die Masth\"ohe sollte so bestimmt werden, dass zum einen Knoten in ``direkter'' N\"ahe und zum anderen Knoten im S\"uden der Stadt erreicht werden k\"onnen. Wie in der Sitzung am 2017-01-24 besprochen, wurden mehrere Standorte auf dem Dach unter Ber\"ucksichtigung der dargelegten Anforderungen betrachtet. M\"ogliche Positionen wurden anhand von Satellitenbildern ausgew\"ahlt und sind in \autoref{fig:positionen} dargestellt. Eine detailierte Diskussion zur Bestimmung der Masth\"ohen findet sich im \autoref{sec:masthoehe}. \begin{figure}[H] \centering \includegraphics[width=\textwidth]{mercator-dach} \caption{Positionen auf dem Dach.} \label{fig:positionen} \end{figure} Die Positionen 3 und 4 haben aufgrund ihrer zentralen Lage eine gleichm\"assigere Verteilung der Abstände zu den Dachr\"andern. Allerdings ergeben sich Strecken von mehr als 20~m, wodurch Gegenstellen im Nahbereich von der Dachkante und dem Gel\"ander stark verdeckt werden. In unseren Berechnungen ergeben sich f\"ur diese zentralen Positionen Masth\"ohen von mehr als \ludicrousheight{}, wie man in der Heatmap \autoref{fig:heatmap_einer} sieht sind dies allerdings fast optimale Werte. Daher haben wir Varianten mit einem Mast verworfen, und betrachten im folgendem nur noch Varianten mit zwei Masten. Dabei werden je ein Mast auf der linken (Positionen 1 und 2) und ein Mast auf der rechten (Positionen 5 und 6) Seite im Paar betrachtet. Und die abzudeckenen Gegenstellen auf die Partner verteilt. Wir beantragen zwei Masten mit H\"ohen von {\masthoehe} und {\masthoehezwei}. Die Masten sollten entweder an den Positionen 2 ({{\masthoehe}) und 6 ({{\masthoehezwei}}) oder an den Positionen 2 ({{\masthoehezwei}}) und 5 ({{\masthoehe}) stehen. \subsection{Bestimmung der Masth\"ohe} \label{sec:masthoehe} Zur Bestimmung der Masth\"ohen haben wir das im folgenden dargelegte Model verwendet. Die oben bereits diskutierten Entscheidungen werden im folgenden noch einmal er\"ortert und mit im Model bestimmten Werten unterlegt. Als Referenz f\"ur das Model wurden drei Gegenstellen im Nahbereich ausgew\"ahlt. Gegenstellen im Fernbereich haben keinen signifikaten Einfluss auf die Masth\"ohe und wurden zur Vereinfachung des Models vernachl\"assigt. Die erste Gegenstelle wird im Dachgeschoss der gegen\-\"uber\-lie\-gen\-den H\"auserfront auf der Holtenauer Stra{\ss}e angesiedelt. Die zweite Gegenstelle befindet sich im Dachgeschoss an der Kreuzung Flensburger Stra{\ss}e und Holtenauer Stra{\ss}e. Die dritte Gegenstelle ist etwas weiter entfernt und wird von Geb\"auden in der Feldstra{\ss}e auf H\"ohe der Hausnummer 251, ebenfalls in Dachn\"ahe, dargestellt. Somit ergibt sich f\"ur das Model die minimale Distanz von \mindist, welche durch die erstgenannte Gegenstelle gegeben wird. In die Bestimmung der Masth\"ohe gehen der Abstand zur Gegenstelle (\mindist), die H\"ohe der Gegenstelle (10~m) und des Mercator Hochhauses (61~m), sowie die H\"ohe des Gel\"anders (1~m) ein. Weiterhin muss die dar\"uber liegende Fresnelzone und der Abstand der Mastposition zur Dachkante in Richtung der Gegenstelle ber\"ucksichtigt werden. F\"ur jede Position wird die minimale Masth\"ohe aus dem maximalen Funktionswert der sich ergebenen Funktionen ermittelt. Ein Offset von einem halben Meter zur Installation der Antennen wird ebenfalls ber\"ucksichtigt. \begin{figure}[tbp] \centering \includegraphics[width=.95\textwidth]{mercator-calculations} \caption{Schematische Darstellung der Funkanbindung} \label{fig:schaubild} \end{figure} Eine schematische Darstellung unsereres Modells ist in \autoref{fig:schaubild} zu sehen. Auf der rechten Seite befindet sich das Mercator-Hochhaus, auf der linken Seite ein anzubindendes Haus. Die gerade Linie vom Mast auf dem Hochhaus zur Dachkante des anzubindenden Gegenstelle zeigt die direkte Sichtverbindung zwischen den Funkantennen auf. Die darum herum befindliche Ellipse stellt die Fresnelzone, welche ebenfalls frei von Objekten sein muss, dar. % TODO Heatmap in die Sektion nach unten \begin{figure}[H] \centering \def\svgwidth{\columnwidth} \includegraphics[width=\columnwidth]{mast-single-heatmap.png} \caption{HeatMap mit einem Mast} \label{fig:heatmap_einer} \end{figure} Der in \autoref{fig:heatmap_einer} dargestellte Funktionsverlauf ist das Ergebnis der Betrachtung f\"ur einen Mast, welcher alle Gegenstellen des Modells erreichen soll. Hier sowie in folgenden HeatMaps ist der Rand der Schienenanlage durch ein Rechteck dargestellt. Deutlich zu erkennen ist die Senke der Funktion in der Mitte des Geb\"audes, dieser Bereich ist aber verbaut und steht somit nicht zur Verf\"ugung (vergleiche \autoref{fig:positionen}), auf der baulich verf\"ugbaren Fl\"ache liegen die Vorausgew\"ahlten Positionen 3 und 4 in einer Bereich des Funktionsverlaufs mit mehr als \ludicrousheight{}. Bei einer Betrachtung von oben eingef\"uhrten Mast-Paaren ergeben sich die in den Abbildungen \ref{fig:heatmap_zwei_eins_links} bis \ref{fig:heatmap_zwei_zwei_rechts} dargestellten Funktionsverl\"aufe. Dabei betrachten die beiden ersten Heatmaps die Situation in welcher der linke Mast sowohl die Gegenstellen in der Holtenauer Str. und der Flensburger Str. abdeckt und der rechte Mast die Gegenstelle in der Feldstra{\ss}e. Die letzten beiden Heatmaps betrachtet das Szenario in welchem der linke Mast die Flensburger Str. abdeckt und der rechte Mast die Gegenstellen in der Holtenauer Str. und der Feldstra{\ss}e. Bei beiden Betrachtungen ergibt sich jeweils ein paar mit minimalen Anforderungen: Aus der ersten Betrachtung ergibt sich f\"ur das Paar aus Position 2 und 5 eine H\"ohe von {\masthoehe} bzw. {\masthoehezwei} Bei der zweiten Betrachtung ergibt sich f\"ur das Paar aus Position 2 und 6 ein H\"ohe von {\masthoehezwei} bzw. {\masthoehe}. In beiden Betrachtungen erfordert Position 1 h\"ohere Werte. Sollte sich keine der genannten Mast-Paare realisieren lassen, kann alterantiv auch das Paar aus Position 1 und 5 mit einer H\"ohe von {\masthoehe} f\"ur beide Masten verwendet werden. Falls durch St\"utzen oder andere bauliche Einschr\"ankungen die Masten an abweichenden Positionen aufgebaut werden m\"ussen, so geben die Heatmaps des gew\"ahlten Szenarios die anzupassende H\"ohe an. \begin{figure}[H] \centering \includegraphics[width=\columnwidth/2]{mast-l_front_fbs-heatmap.png} \caption{HeatMap Betrachtung 1 Links, Position 2 {\textbackslash} Holtenauer \& Flensburgerstr.} \label{fig:heatmap_zwei_eins_links} \end{figure} \begin{figure}[H] \centering \includegraphics[width=\columnwidth/2]{mast-r_feld-heatmap.png} \caption{HeatMap Betrachtung 1 Rechts, Position 5 {\textbackslash} Feldstra{\ss}e} \label{fig:heatmap_zwei_eins_rechts} \end{figure} \begin{figure}[H] \centering \includegraphics[width=\columnwidth/2]{mast-l_fbs-heatmap.png} \caption{HeatMap Betrachtung 2 Links, Position 2 {\textbackslash} Flensburgerstr.} \label{fig:heatmap_zwei_zwei_links} \end{figure} \begin{figure}[H] \centering \includegraphics[width=\columnwidth/2]{mast-r_front_feld-heatmap.png} \caption{HeatMap Betrachtung 2 Rechts, Position 6 {\textbackslash} Holtenauer \& Feldstra{\ss}e} \label{fig:heatmap_zwei_zwei_rechts} \end{figure} \subsubsection{Windlast} \label{sec:windlast} Aufgrund der H\"ohe des Mercator-Hochhauses und der exponierten Lage der Masten beziehen sich die folgenden Berechnungen auf Windgeschwindigkeiten von bis zu 200~km/h. Dabei betr\"agt die maximale Windlast der zu installierenden Ger\"ate 826~N pro Mast. Die Belastung wird dabei prim\"ar auf den oberen Meter des Masts ausge\"ubt. Die im folgenden gelisteten Ger\"ate stehen als Referenz f\"ur ihre jeweiligen Bauformen. \begin{table}[h] \centering \begin{threeparttable} \begin{tabular}{ l l l l } Ger\"at & Windlast pro Ger\"at & Anzahl & Windlast \\ \toprule PowerBeam AC 300 ISO & 300 N & 2 & 600 N \\ \midrule EdgePoint R6 & 46 N & 1 & 46 N \\ \midrule NanoStation NSM2 & 45 N\tnote{1} & 2 & 90 N \\ \midrule NanoStation AC & 45 N\tnote{1} & 2 & 90 N \\ \bottomrule & & \textbf{Summe} & 826 N \\ \end{tabular} \begin{tablenotes} \item [1] Angabe fehlt im Datenblatt und wurden durch Angaben von Sektor\-abschirmungen f\"ur n\"achstgr\"o{\ss}eres Ger\"at nach oben abgesch\"atz:t \end{tablenotes} \end{threeparttable} \caption{Windlastanforderungen} \label{fig:windlast} \end{table} Au{\ss}erdem ist zu beachten, dass signifikante Scherkr\"afte durch Verdrehen in starkem Wind auf den Mast wirken k\"onnen. Daher ist bei einem einfachen Rundmast kein Aluminium zu verwenden, da diese bei Verdrehen leicht abscheren. Der Antennentr\"ager am Mast sollte den Durchmesser von 50~mm nicht \"uberschreiten und eine runde Querschnittsfl\"ache besitzen. Daher w\"are ein drei-- oder viereckiger Gittermast besonders gut geeignet. \subsubsection{Dachlast} Die Dachlast der Installation wird vom Gewicht des Masts dominiert. Die pro Mast installierten Ger\"ate wiegen, die am Mast ben\"otigte Kabelinstallation eingeschlossen, etwa 9,1 kg. \begin{table}[h] \centering \begin{tabular}{ l l l l } Ger\"at & Gewicht pro Ger\"at & Anzahl & Gewicht \\ \toprule PowerBeam AC 300 ISO & 2,55 kg & 2 & 5,1 kg \\ \midrule EdgePoint R6 & 0,6 kg & 1 & 0,6 kg \\ \midrule NanoStation NSM2 & 0,406 kg & 2 & 0,812 kg \\ \midrule NanoStation AC & 0,233 kg & 2 & 0,466 kg \\ \midrule CAT.~7 Verkabelung & & & 2,1 kg \\ \bottomrule & & \textbf{Summe} & 9,078 kg \\ \end{tabular} \caption{Dachlast} \label{fig:dachlast} \end{table} \section{Kabelinstallationen} \label{sec:kabelinstallation} An jedem Mast wird vom Offene Netze Nord e.V. (im weiteren Verein) ein Outdoor Verteiler bereitgestellt. F\"ur diese Verteiler wird die Installation sowohl von Stromversorgung als auch Netzwerkverbindungen beantragt. Als Stromversorgungen werden Schutzkontaktsteckdosen mit 230V/16A ben\"otigt. Diese sollte einzeln abgesichert und auf einem eigenen Schutzschalter aufgelegt sein. Zus\"atzlich werden in den Verteilern jeweils zwei Netzwerkverbindungen (Cat.~7, Keystone Jack) ben\"otigt, welche die Masten mit dem Technikraum im Dachgeschoss des Hochhauses verbinden. \subsection{Stromverbrauch} Die Gesamtleistung der an einem Mast installierten Ger\"ate betr\"agt 29~Watt und setzt sich wie in Abb. \ref{fig:power_mast} dargestellt zusammen. Bei zwei Masten ergibt sich damit eine Stromverbrauch von 58~Watt. \begin{table}[H] \centering \begin{threeparttable} \begin{tabular}{ l l l l } Ger\"at & Stromverbrauch & Anzahl & Stromverbrauch \\ & pro Ger\"at\tnote{1} & & \\ \toprule PowerBeam AC 300 ISO & 5 W & 2 & 10 W \\ \midrule EdgePoint R6 & 2,5 W & 1 & 5 W \\ \midrule NanoStation NSM2 & 3 W & 2 & 6 W \\ \midrule NanoStation AC & 4 W & 2 & 8 W \\ \bottomrule & & \textbf{Summe} & 29 W \\ \end{tabular} \begin{tablenotes} \item [1] Werte wurden durch Messungen an einem realit\"atsnahen Testaufbau ermittelt \end{tablenotes} \end{threeparttable} \caption{Stromverbrauch pro Mast} \label{fig:power_mast} \end{table} \section {Technikraum} \label{sec:technikraum} Es wird die Verwendung von zwei benachbarten H\"oheneinheiten in einem (vorhandenen) Netzwerkschrank f\"ur die Installation von zentralen Komponenten beantragt. Die vom Dach kommenden Cat.~7 Verbindungen werden auf einem Patchpanel in RJ45 aufgelegt. Sofern vorhanden, kann ein vorhandenes Patchpanel genutzt werden. Die bereitgestellten Ports sind entsprechend zu markieren. Sollte vom Land eine Verbindung zum Internet zur Verf\"ugung gestellt werden, ist diese ebenfalls im Schrank auf einem seperaten Port zur Verf\"ugung zu stellen. Weiterhin wird auch im Technikraum die Bereitstellung von 230V/16A Stromversorgung entsprechend \autoref{fig:power_tech} beantragt. \begin{table}[h] \centering \begin{tabular}{ l l l l } Ger\"at & Stromverbrauch & Anzahl & Stromverbrauch \\ & pro Ger\"at & & \\ \toprule TP-Link TL-SG3210 & 11 W & 1 & 11 W \\ \midrule PC Engines APU2C2 & 10 W & 1 & 10 W \\ \bottomrule & & \textbf{Summe} & 21 W \\ \end{tabular} \caption{Stromverbrauch Technikraum} \label{fig:power_tech} \end{table} \end{document}