Elektrotechnik

Via 5G gesteuerter Industrieroboter: Ohne ein schnelles Mobilfunknetz mit garantierten Funkkanälen würde dieser Industrieroboter nur mit Unterbrüchen und Zwischenstopps funktionieren. (Bild: Ericsson)

Campusnetze mit 5G

Drahtlose Netzwerke in Industrie und Business

Viele Firmen nutzen die 5G-Technologie für alle internen Kommunikationsbedürfnisse. Solche Campusnetze sind schnell in Betrieb genommen, arbeiten zuverlässig und verbrauchen nur wenig Strom. Doch warum verwendet man dazu nicht von Anfang an ein WLAN?

Aufgrund ihrer praktischen Vorteile haben WLANs (Wireless Local Area Networks) einen einzigartigen Siegeszug angetreten (s. ET 05/19). Diese drahtlosen, lokalen Computernetzwerke lassen sich schnell aufbauen und in Betrieb setzen und sind deutlich preisgünstiger als traditionelle, drahtgebundene Datennetzwerke. Letztere sind die erste Wahl, wenn garantierte Bandbreiten und hohe Zuverlässigkeit gefordert sind.

Ein WLAN besteht aus einem Router mit Internet- oder Datennetz-Verbindung, einem Access Point (AP), der in Heimnetzwerken meist im Router integriert ist, und mehreren Funkkanälen. Diese werden von den angeschlossenen Geräten/Klienten zum Datenaustausch genutzt, etwa PCs/Notebooks, Smartphones, Drucker, Digitalkameras, Fernseher etc. Längst werden ganze Bürokomplexe, grosse Hotels und ganze Spitäler mit WLANs kostengünstig vernetzt. Und kaum ein neues Gerät kommt heute ohne WLAN-Schnittstelle auf den Markt.

WLANs und ihre Grenzen

Der grösste Schwachpunkt von WLANs sind die verwendeten Frequenzbänder (2,4 und 5 GHz), die gratis genutzt werden dürfen. Besonders das tiefere Band wird von zahlreichen Funkdiensten verwendet – u.a. auch von Bluetooth, Fernbedienungen, Fernsteuerungen etc. Durch die intensive Nutzung der Frequenzbänder sind WLANs weder sonderlich stabil und noch sehr zuverlässig, da sie im Gegensatz zum Mobilfunk keine lizenzierten Bänder nutzen, in denen sie ungestört funken können.

Somit können WLAN weder eine dauernde Konnektivität noch hohe Bandbreiten garantieren. Das mag für Gelegenheitssurfer ausreichen, doch bereits in Bürogebäuden sorgen Engpässe auf der WLAN-Verbindung für langsame Datentransfers oder gestörte Skype-Sessions mit verzerrten oder verzögerten Ton- und Bildübertragungen.

Im Industriebereich sind solche Effekte noch schwerwiegender, wenn man z.B. an laufende Produktionen oder sicherheitsrelevante Prozesse denkt. Zwar werden Campusnetze auf Basis von Office-WLANs oder etwas robustere Industrie-WLANs angeboten. Wenn in einem Unternehmen jedoch die Anzahl vernetzter Maschinen und Anwendungen steigt, was selbst für die IT-Abteilung des Unternehmens oft unbemerkt und schnell geschieht, laufen WLANs bald einmal am Limit.

Kommt hinzu, dass ein WLAN keinen Handover kennt und sich der Benutzer beim Wechsel von einem Gebäudeteil am neuen AP jeweils neu einloggen muss. Dadurch eignen sich WLANs nicht für mobile Szenarien in der Industrie, etwa für fahrerlose Transportsysteme in der Logistik. So testet z.B. der Leuchtenhersteller OSRAM gemeinsam mit der Deutschen Telekom den Einsatz von Robotern, die sich autonom, also nicht per Fernsteuerung, auf dem Firmengelände bewegen. Voraussetzung für diese autonomen Fahrzeuge sind aber nahtlose Funkzellen. In einem WLAN würde der Roboter beim Wechsel in eine andere Zelle zunächst anhalten, eine neue Verbindung aufbauen müssen und könnte erst dann weiterfahren – in kontinuierlichen Abläufen völlig undenkbar.

Permanente Datentransfers

Voll automatisierte Produktionsprozesse wie im Szenario Industrie 4.0 sind ohne ständig, schnell und überall verfügbare Daten nicht möglich. Somit stellt sich die Frage, wie man diese zu den einzelnen Maschinen und Robotern in der Produktionshalle bringt, um diese zu vernetzen. Da WLANs über keinerlei Mechanismen für eine garantierte Quality of Service (QoS) verfügen, taugen sie in Betrieben höchstens für eine Bürokommunikation, aber kaum für zeitkritische Produktionsabläufe.

Um die verbleibende Industrieproduktion in Europa halten zu können, stehen Innovationen mit qualitativ hochwertigen Produkten und Dienstleistungen im Fokus. Dazu leistet das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) einen zentralen Beitrag. Das IIoT wird zum weitreichenden Einsatz vernetzter Sensoren, künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen führen. Parallel dazu entsteht mit der bereits heute laufenden Erhebung, Sammlung, Analyse und Verknüpfung grosser Datenmengen ein neuer Industriezweig, der Datenhandel (Big Data und Big Data Analytics).

Die produzierende Industrie verspricht sich davon u.a. genauere Marktdaten und in Folge zu besseren, weil zielgerichteteren Produkten und Dienstleistungsangeboten. Das "Vorbeiproduzieren" am Markt soll künftig der Vergangenheit angehören, weil man die Kundenanforderungen und -bedürfnisse besser kennt. Der Mensch an sich hat sich im Denken und Handeln offenbar nur wenig verändert, wohl aber das Umfeld, und das gewaltig. Künftig dienen uns vermehrt Touch- und Sprach-Schnittstellen sowie Systeme für eine erweiterte Realität (Augmented Reality, AR), mit denen wir unsere Bedürfnisse mitteilen, Feedbacks geben oder in der Produktion Maschinen steuern. Wie weit Roboter gewisse Standardabläufe und -Funktionen übernehmen werden, ist noch offen.

Industrie 4.0 mit Mobilfunk

Auch wenn Deutschland nicht zu einem Hochlohnland wie die Schweiz oder Japan gerechnet wird, so steht die industrielle Produktion hier wie dort unter hohem Kostendruck. Zudem fehlen in vielen Bereichen Fachspezialisten, so dass möglichst flexible und kostengünstige Produktionsanlagen gefordert sind. Die Idee zur Verbindung von Maschinen wird in der Praxis bereits umgesetzt und nimmt weiter zu. Darin platzierte Sensoren kommunizieren über mobile Datenverbindungen untereinander oder mit einer zentralen Steuerung. Diese erkennt z.B. über Zustands- und Fehlermeldungen den genauen Wartungsbedarf der Maschinen und Anlagen.

Gerade in der industriellen Produktion besonders hochwertiger Produkte wie der Medizinaltechnik oder Premiumautos verbreitet sich das IIoT schnell. Sensoren erfassen etwa den genauen Standort von angelieferten oder selbst gefertigten Halbfertigprodukten und Teilen, deren Status sowie potentielle Fehler während der Produktion. Während das Schweizer Medizinaltechnik Unternehmen Ypsomed lokales 5G bereits seit 2017 in ihren Hallen am Standort Solothurn testet und Arbeitsplätze in die Schweiz zurückholen will, testet Audi 4G/LTE und 5G erstmals in der Fahrzeugproduktion, hier wie dort gemeinsam mit Mobilfunknetzen des schwedischen Ausrüsters Ericsson.

Im Mittelpunkt des Projekts steht das IIoT vor dem Hintergrund von Industrie 4.0, in dem das Potenzial von 5G als zukunftssichere Kommunikationstechnologie den hohen Anforderungen der Automobilproduktion voll ausgeschöpft werden soll. Seit der zweiten Jahreshälfte 2018 testet ein Expertenteam von Audi und Ericsson eine 5G-Funkeinheit in einer Pilotanlage im Audi Production Lab in Gaimersheim bei Ingolstadt. Nach Abschluss der Tests wird Audi darüber entscheiden, ob die Technologie auch in anderen Werken eingesetzt wird.

Leistungsstarke Mobilfunknetze

Nach Expertenmeinung wird die voll vernetzte Fabrik einen grossen Einfluss auf die zukünftige Produktion haben. Eine leistungsfähige Netzwerkarchitektur, die in Echtzeit reagieren kann, ist für diese Entwicklung unerlässlich. Erste Ergebnisse zeigen die Vorteile eines lokalen 5G-Netzes als geschlossenes Funknetz mit hoher Datensicherheit, schneller Datenübertragung in Echtzeit (bis 10 Gbit/s), niedrigen Latenzzeiten (unter 1 ms) sowie garantierter Verfügbarkeit von hohen Bandbreiten mit einem definierten Datendurchsatz. Bei 4G/LTE betrug die Latenz unter optimalen Bedingungen noch rund 10-15 ms, und bis zu 3 Gbit/s als Topspeed markierten eher den Laborwert, 300 Mbit/s bis zu maximal 1 Gbit/s hingegen eher schon die Praxis.

Neben der sehr hohen Zuverlässigkeit brilliert 5G auch als Campusnetztechnologie mit seinem tiefen Energiebedarf. Trotzdem bietet 5G eine etwa 1000-fach höhere Netzkapazität als das immer noch leistungsfähige 4G/LTE und kann mit derselben oder mit weniger Energie eine deutlich grössere Anzahl von Endgeräten versorgen. Bei der hohen Endgerätedichte im IIoT-Umfeld wird 5G damit zur Schlüsseltechnologie. Aus Sicherheitsgründen soll nach Angaben von Netzbetreibern der Zugriff vom öffentlichen 5G-Netz auf das Campusnetz unmöglich sein. Umgekehrt wird das private Campusnetz jedoch an das öffentliche 5G-Netz angebunden, damit die Firmen mit Partnern, externen Dienstleistern oder Zulieferern kommunizieren können. Diese Kombination aus einem privaten und einem öffentlichen Netz wird als "Dual Slice Lösung" bezeichnet.

Natürlich existieren auch Campusnetze auf der Basis von Office-WLANs oder den etwas robusteren Industrie-WLANs. Für eine kleine Anzahl von Endbenutzer (Menschen und Maschinen) ohne grosse Ansprüche an Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit mag das ausreichen. Wenn jedoch in einem Unternehmen die Anzahl vernetzter Maschinen und Anwendungen steigt, sind leistungsstarke Mobilfunknetze die beste Lösung.

Regionale 5G-Anbieter?

In unserem nördlichen Nachbarland haben bereits 2018 Industrieunternehmen, aber auch Städte, Gemeinden und grosse Landwirtschaftsbetriebe lokale und regionale Frequenzen zum Aufbau und Betrieb eigener 5G-Netze gefordert. Lokale (aber vorerst noch keine regionalen) Frequenzen im Bereich von 3700 bis 3800 MHz sollen vom nationalen Regulierer, der deutschen Bundesnetzagentur (BNetzA) vergeben werden. Grosses Interesse an solchen Lizenzen zeigten u.a. die Stadtwerke München (SWM), die mit ihrem Kerngeschäft jährlich über 7 Mia. Euro Umsatz generieren. Die SWM würden ein privates 5G-Netz zur Eigennutzung, aber auch für Münchner Firmen und Bürger bauen. Dies wäre ein höchst lukratives Szenario, weil die SWM im Gegensatz zu den grossen Netzbetreibern keine lästigen Ausbauverpflichtungen in der Fläche eingehen müsste.

Schon heute hat München eines der grössten Glasfaser-Stadtnetze Deutschlands und sogar Europas (FTTH). Unter Münchner Trottoirs liegen etwa 9'000 Kilometer Glasfaserkabel vergraben, was eine gute Basis zur Vernetzung von 5G-Sendeanlagen darstellt. Zudem sind fast alle Münchener Bushaltestellen mit Strom, Glasfasern/Internet und doppelten Böden mit genügend Platz für Funktechnik ausgestattet. Man könnte also alle Haltehäuschen schnell mit kleinen 5G-Antennen ausstatten und in der beliebten Stadt ein schnelles und extrem dichtes Mobilfunknetz bauen. Auch autonome Fahrzeuge, die dereinst ja via 5G in Echtzeit gesteuert werden sollen, hätten damit beste Bedingungen in München gehabt, da Bushaltestellen ja in der Regel die wichtigsten Stadtstrassen bedienen.

Leider bleiben diese Pläne wohl reine Theorie, weil sich die in Aussicht gestellten regionalen Lizenzen nur für sehr begrenzte Räume und nicht für das gesamte Stadtgebiet einer Millionenstadt eignen. Hingegen werden auf dieser Basis in den nächsten Jahren weitere 5G-Campusnetze entstehen.