5G für die Produktion: Was ist dabei zu beachten?

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5G-Mobilfunk gilt als die zukunftsträchtige Möglichkeit, Maschinen und Geräte in einer Fabrik effizient zu vernetzen. Doch mit dem Einrichten der Infrastruktur in einer Fertigungshalle ist es nicht getan. Worauf es ankommt, lesen Sie hier.

• Mit 5G können viel mehr Daten schneller übertragen werden als bei gängigen Funkverbindungen.

• An einer permanenten Prüfung der Netzwerkinfrastruktur führt kein Weg vorbei.

• Führen Sie 5G in einem Bereich ein, der nicht betriebskritisch ist.

Während in der Öffentlichkeit noch über Gesundheitsgefahren oder drohende Spionageangriffe aus Fernost spekuliert wird, schaffen Industrie und Mobilfunkprovider Tatsachen. Mehrere Akteure treiben weltweit den Ausbau von 5G-Infrastrukturen in vielen Bereichen voran. Die Technik gilt als wichtiger Motor der Digitalisierung. Diese Entwicklung reicht tief in Struktur und Organisation der industriellen Prozessführung hinein. 69 % der deutschen Maschinen- und Anlagenbauer, so ergab eine im Herbst 2019 veröffentlichte Umfrage des VDMA, wollen ihre Produkte künftig mit 5G-Schnittstellen ausrüsten. 35 % planen den Aufbau eigener 5G-Campusnetzwerke. Und den Worten folgen Taten: Führende deutsche Industrieunternehmen haben bereits mit dem Aufbau privater 5G-Netze begonnen oder Lizenzen für lokale Netze beantragt.

Tatsächlich verspricht der neue Standard einen technologischen Quantensprung, können mit 5G doch viel mehr Daten übertragen werden als bei gängigen Funkverbindungen. Abhängig von der Implementierung kann 5G zudem sehr niedrige Latenzzeiten sicherstellen – ähnlich dem Leistungspotenzial von Glasfaserkabeln. Solche kurzen Latenzen sind vor allem in Fertigungsbereichen von Interesse, in denen zuverlässige Echtzeit-Reaktionen zahlreicher drahtloser Endgeräte sichergestellt sein müssen – etwa im Zuge der Mensch-Roboter-Interaktion, bei der Anzeige von Werkerführungen auf Notebooks und Tablets, beim Einsatz rückmeldender Vorprodukte oder bei der Anwendung von Datenbrillen.

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5G beim Nachrüsten

Auch die Digitalisierung analoger Maschinenparks steht und fällt oft mit einer stabilen Funkanbindung: Wo lange Investitionszyklen keinen zeitnahen Maschinenaustausch zulassen, müssen Sensoren oder Aktuatoren nachgerüstet werden, die nur niedrige Latenzen tolerieren, aber nicht mehr nachträglich per Verkabelung angebunden werden können. 5G-Netze mit kurzer Latenz stellen hier eine effektive Lösung dar. Das gleiche gilt dort, wo mit extrem kurzer Latenz auf betriebseigene Datenbestände zugegriffen werden muss. Mittel- bis langfristig werden dann nicht zuletzt auch Zukunftstechnologien wie das autonome Fahren profitieren: Zwar sind hierfür grundsätzlich keine 5G-Verbindungen nötig, höhere Datenraten und kurze Latenzen verbessern aber auch dort Komfort und Sicherheit aller Abläufe enorm.

Anforderungen an die Stabilität

Aus der Perspektive eines Netzwerkbetreibers sind mit der 5G-Technik jedoch nicht nur neue Chancen, sondern auch neue Herausforderungen verbunden. Denn der mögliche Leistungssprung von 5G wird in allererster Linie über eine ausgeklügelte Kombination verschiedener Netzwerktechniken erreicht. Das erhöht die Komplexität der Netzwerke nachhaltig und stellt hohe Anforderungen an die Funktionalitätssicherung. Zwar wird das Netzwerkmanagement zum Teil einfacher, da viele Komponenten nur noch softwarebasiert sind und auf standardisierter Hardware laufen. Dafür steigt jedoch die Zahl der logischen Ebenen, die sowohl für sich einwandfrei funktionieren als auch untereinander nahtlos harmonieren müssen, um einen reibungslosen Netzbetrieb zu gewährleisten.

Die Definition der 5G-Funkschnittstelle NR (New Radio) sieht vor, ausgehend vom zunächst erschlossenen Sub-6-GHz-Band Frequenzen bis hin zu rund 100 GHz zu nutzen. Über kurze Distanzen werden diese Frequenzen im Millimeter-Wellenlängenbereich (mmWave) sehr hohe Übertragungsraten ermöglichen. Aufgrund der kürzeren Reichweite und höheren Hindernisempfindlichkeit des mmWave-Spektrums werden hochverdichtete Mehrantenneninfrastrukturen (Massive MIMO) aufgebaut und die Funksignale über Algorithmen zu nutzerorientiert ausgerichteten Strahlen fokussiert, die physische Hindernisse leichter umgehen können (Beamforming).

Da auch die beste Funktechnik wenig nutzt, wenn das Basisnetz zu schwach dimensioniert ist, müssen die Front-, Mid- und Backhaul-Infrastrukturen ebenfalls so ausgelegt werden, dass sie die erforderlichen Übertragungsraten sicherstellen können. Das bedeutet den flächendeckenden Aufbau von Glasfasernetzen, deren Leistungsfähigkeit im Wesentlichen den Netzwerken moderner Hochleistungsrechenzentren entspricht.

Die drei 5G-Typen

Neben diesen allgemeinen Grundlagen sind beim Aufbau von 5G-Campusnetzwerken die drei definierten Anwendungsprofile zu berücksichtigen.

• In der ersten Phase der 5G-Nutzung stand das eMBB-Profil (Enhanced Mobile Broadband) im Vordergrund, das etwa das parallele Streaming einer Vielzahl hochauflösender Videos sowie datenintensive Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen unterstützt.

• Der mMTC-Typus (Massive Machine Type Communications) ist das 5G-Profil für IoT-Anwendungen, mit dem sich unter anderem Sensoren ohne externe Stromversorgung vernetzen lassen.

• Für Maschinensteuerung oder autonomes Fahren wird hingegen das uRLLC-Profil (Ultra Reliable and Low Latency Communications) benötigt, das die kürzesten Latenzzeiten sowie die höchste Ausfallsicherheit garantiert.

Das Ausrollen dieser Profile auf das Campusnetzwerk wird über ein flexibles Network-Slicing realisiert, das allen Anwendern auf dem Campus über ein und dieselbe Infrastruktur die jeweils benötigten Quality-of-Service-Parameter zuteilt.

Permanente Prüfungen unverzichtbar

Die Vielzahl der kompositorischer Elemente zeigt, dass die Funktionalitätssicherung von 5G-Campusnetzwerken allerhöchsten Anforderungen genügen muss. Denn bereitet nur ein einziger der skizzierten Teilbereiche Probleme, ist auch die Funktionalität der 5G-basierten Anwendungen nicht mehr vollständig gewährleistet und der Nutzer riskiert speziell im uRLLC-Bereich gefährliche Störungen des Maschinen- oder Fahrzeugzugriffs. Außerdem ist der erhöhte Datenverkehr sowie der Zugriff auf viele Maschinen und Komponenten für Hacker attraktiv.

Für den Anwender bedeutet das in letzter Konsequenz, dass an einer permanenten Prüfung der Netzwerkinfrastruktur kein Weg mehr vorbeiführt. 5G-Netzwerke müssen sowohl in der Laborphase ihrer Entwicklung und experimentellen Erprobung als auch über den gesamten Zyklus ihrer industriepraktischen Nutzung hinweg kontinuierlichen Messungen unterzogen werden.

Die Umsetzung dieser Prüfprozesse ist indessen alles andere als trivial. Nicht nur, dass alle Teilbereiche (vom Basisnetz über mmWave, Massive MIMO und Beamforming bis schließlich zum Network-Slicing) eigene Prüfsequenzen und bedarfsoptimierte Prüfsysteme erfordern: Auch rein praktisch ist die Durchführung solcher Tests oft mit Schwierigkeiten verbunden.

Die hohen Anforderungen an zeitliche Synchronität der unterschiedlichen Basisstationen oder auch die für 5G neu entwickelten Algorithmen zur Baseband Exploration überfordern beispielsweise herkömmliche 4G Spectrum Analyzer. Um unter solchen Voraussetzungen verwertbare Prüfergebnisse zu erzielen, sind ausgefeilte Test-Settings auf Basis hochentwickelten Messequipments nötig.