Private 5G

Private 5G-Netze

Umfassende 5G-Lösungen für private 5G-Netze

Private 5G-Netze sind der Katalysator für Industrie 4.0 sowie für die „smarten“ Fabriken, Kraftwerke und Gebäude der Zukunft. Angesichts der Zunahme der Bereitstellungsmöglichkeiten von 5G für private Unternehmen erhöht sich die Bedeutung effizienter und präziser Tests in 5G-Netzen. VIAVI hat ein intuitives, kostengünstiges und lückenloses 5G-Testportfolio entwickelt, das ideal für die Überprüfung von privaten 5G-Netzen sowie für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit (Assurance) während des gesamten Netzwerk-Lebenszyklus geeignet ist.

Was sind private 5G-Netze?

Ein privates 5G-Netz ist ein 5G-Mobilfunksystem, das ausschließlich für die private (nichtöffentliche) Nutzung durch ein einziges Unternehmen, eine Einzelperson oder eine einzelne Behörde aufgebaut und betrieben wird. Das vom 3GPP-Projekt als nichtöffentliches Netz (Non-Public Network, NPN) definierte private 5G-Netz bezeichnet für gewöhnlich eine kleinere, stärker konzentrierte Implementierung, die spezifische Anforderungen, die der betreffende Netzbetreiber an Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Service stellt, erfüllen soll.

Ältere private Netze auf der Grundlage von 4G-/LTE-Mobilfunksystemen stellen bereits erweiterte Optionen zur verbesserten Netzabdeckung und kundenspezifischen Anpassung zur Verfügung. 5G-Netze setzen hier mit der hochzuverlässigen und latenzarmen Kommunikation (uRLLC) jedoch neue Maßstäbe, da sie das Internet der Dinge (IoT), Industrie 4.0 sowie einsatzkritische Anwendungen der öffentlichen Sicherheit unterstützen. Der verbesserte Zugang zum Frequenzspektrum, die spezialisierten Nutzungsfälle sowie die größere Netzwerksicherheit sind weitere Faktoren, die die Verbreitung von privaten 5G-Netzen fördern.

Für wen sind private 5G-Netze geeignet?

Angesichts der zunehmenden Verbreitung und Verbesserung öffentlicher 5G-Dienste stellt sich die Frage nach der Notwendigkeit privater 5G-Netze. Schließlich sind die Lizenzierung eines privaten 5G-Frequenzspektrums, der Erwerb und die Installation komplexer Netzwerkinfrastrukturen sowie die Überwachung des einwandfreien Betriebs und der Leistungsparameter mit einem erhöhten Arbeits- und Zeitaufwand verbunden.

Die Anwender, die am stärksten von privaten 5G-Netzen profitieren, weisen einige Gemeinsamkeiten auf. Beispielsweise stellen sie alle hohe Ansprüche an die Sicherheit und/oder den Datenschutz, benötigen spezifische Dienste, eine möglichst kurzfristige 5G-Bereitstellung oder sind auf eine Kombination dieser Anforderungen angewiesen. Da sich das Leistungspotenzial von 5G immer weiter entwickelt, möchten viele Anwender für die Zukunft auch einfach nur gut aufgestellt sein, um sich für ihr Unternehmen Wettbewerbsvorteile zu sichern.

  • Die Fertigungsindustrie hat das enorme Potenzial privater 5G-Netze bereits erkannt. Die latenzarme, bandbreitenintensive Kommunikation ermöglicht die ideale Vernetzung zur Implementierung wegweisender Anwendungen in den Bereichen Robotertechnik, Materialtransport und vorausschauende (prädiktive) Instandhaltung.
  • Industrie 4.0 bezeichnet die 5G-Revolution auf Grundlage der vorhandenen Automatisierung und computerisierten Steuerungen im industriellen Umfeld, die bei Präzision und Effizienz beispiellose Leistungsvorteile verspricht. Private 5G-Netze in smarten Fabriken verringern die kabelgebundenen Verbindungen, rationalisieren die Datenerfassung/-analyse und erhöhen den Arbeitsschutz im Werk.
  • Traditionelle Anwender wie Gesundheitswesen, Bildungseinrichtungen und öffentliche Verkehrsmittel profitieren ebenfalls von privaten 5G-Netzen. Sie können ihre Logistik, Reichweite und Sicherheit mithilfe privater 5G-Netze verbessern. Schlagzeilenträchtige Sicherheitsverletzungen unterstreichen die Bedeutung des Schutzes der personenbezogenen Daten und der Sicherheit der Kunden.

Anwendungen für private 5G-Netze

Industrie 4.0 fördert die Einführung autonomer Roboter- und Transportsysteme sowie der Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) in Fabriken, Kraftwerken und Vertriebszentren. Die Vielfalt weiterer privater Anwendungen für zuverlässige latenzarme Highspeed-Verbindungen scheint endlos zu sein. Innenräume sind besonders gut für die 5G-Kleinzellen-Technologie (Small Cells) und die Zeitduplex-Übertragung (TDD) geeignet, da Signalreflexionen in einem geschlossenen Raum die Redundanz verbessern und die Kanalkapazität erhöhen.

Event Solutions

 

Sportstadien und Einkaufszentren gehören zu den Orten, die während ihrer jeweiligen Spitzenzeiten eine große Zahl von Netzwerkzugriffen zu bewältigen haben. Mit der Verbreitung von 5G wird sich die Nachfrage nach Streaming-Inhalten, Augmented Reality (AR) und anderen bandbreitenintensiven Anwendungen weiter erhöhen. Private 5G-Netze können sich dieser Herausforderung stellen, indem sie große Veranstaltungsorte in „smarte“ Systeme mit größerer Kapazität umwandeln. Das IoT und die Beamforming-Technologie erlauben, den Netzbetrieb und die Bereitstellung der Dienste an diesen Orten zu rationalisieren.

Retail Solutions

 

Öl- und Gas-Raffinerien setzen bereits seit langem auf private Netze, von denen viele die Anforderungen kommerzieller Mobilfunknetze überschreiten. Diese Standorte umfassen größere geografische Bereiche und zahlreiche kritische Maschinen, Sensoren und Sicherheitsfunktionen. Private 5G-Netze für das industrielle IoT ermöglichen, diese riesigen vernetzten Systeme zuverlässig in Echtzeit zu überwachen und zu warten.

Fleet Solutions

 

Smart Cities verkörpern die utopische Vision einer 5G-kompatiblen Zukunft. Intelligente Verkehrssysteme verwenden eine latenzarme universelle Fahrzeug-Kommunikationstechnologie (Vehicle-to-Everything, V2X), um Passagiere effektiv zwischen ebenso intelligenten Einkaufszentren, Veranstaltungsorten und Arbeitsplätzen zu befördern. Diese idealisierte Stadt wird wahrscheinlich eine Kombination aus voneinander unabhängigen Small-Cell-Netzen, privaten, von kommerziellen 5G-Netzanbietern betriebenen Netzen und allumfassenden öffentlichen 5G-Netzen nutzen. 

Automotive Solutions

 

Anforderungen an private 5G-Netze

Private 5G-Netze unterstützen kritische Kommunikationskanäle, deren Betrieb weiter gewährleistet bleiben muss, auch wenn unvorhergesehene Ereignisse eintreten. Je nach Anwendung können die Anforderungen, die private 5G-Netze an Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Zusammenwirken und Dienstgüte (QoS) stellen, über die Leistungsparameter kommerzieller Standardnetze hinausgehen und die folgenden Aspekte umfassen:

  • Übergang von einer Zellen- zur Beam-orientierten Architektur, in der das statische und dynamische Beamforming eine wichtige Rolle spielen, um Leistung, Optimierung und Location Intelligence zu gewährleisten.
  • Implementierung einer servicebasierten Architektur des Kernnetzes (SBA).).
  • Virtuelle softwaredefinierte Netzwerke (SDN) zur Unterstützung von Network-Slicing und automatischer Bereitstellung von Diensten für die wichtigsten 5G-Anwendungsfälle, wie Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Massive Machine Type Communication (mMTC) und Ultra-Reliable Low Latency Communications (uRLLC).

O-RAN in privaten 5G-Netzen

Die 3GPP-Standards für private 5G-Netze ermöglichen den Anwendern, eigene Mobilfunknetze zu definieren und aufzubauen. Damit bietet sich ihnen die Chance, vom proprietären Funkzugangsnetz (RAN) zur Open-RAN(O-RAN)-Architektur zu wechseln. Das O-RAN bevorzugt ein Konzept, das die besten RAN-Elemente verschiedener 5G-Anbieter kombiniert. Die Netzbetreiber profitieren vom Wettbewerb zwischen diesen Anbietern und den daraus resultierenden Innovationen für das O-RAN.

What is O-RAN?

Die Rolle der Kleinzellen in privaten 5G-Netzen

Wie der Name bereits erkennen lässt, nutzt die Kleinzellen-Technologie ( Small Cells ) kleine Verteilknoten geringer Reichweite, um in Innen- und Außenbereichen ein kostengünstiges 5G-Mobilfunknetz zu erzeugen. Aufgrund ihrer herausragenden Mobilität, Stabilität und Netzabdeckung bieten sich Small-Cell-Netze für Einkaufszentren, Bürogebäude, Universitäten, Produktionsanlagen und viele weitere private 5G-Netze an.    

  • Geringe Bereitstellungskosten
    Die für Kleinzellen benötigte Hardware wurde mit dem Ziel entwickelt, die Komplexität der Bereitstellung zu verringern. Viele kleine Small-Cell-Transceiver lassen sich mühelos an Wänden, Masten und vergleichbaren Objekten installieren. Backhaul -Optionen sind ebenfalls flexibel nutzbar und umfassen Glasfaser, Koaxialkabel und Richtfunk. Mikrozellen können durchgängig die Kapazitätsanforderungen erfüllen, die eine hohe Anzahl von Nutzern in einem großen Netzversorgungsbereich stellen.
  • Lizenzfreies Frequenzband
    Private 5G-Netze, die auf mmWave-Kleinzellenknoten basieren, können die lizenzfreien Frequenzbänder im Bereich von 57 bis 71 GHz nutzen. Dieses freie, durchgehende Spektrum von 14 GHz bietet den privaten 5G-Netzen die Möglichkeit, Dienste großer Bandbreite kostengünstig zu übertragen.

Sicherheit in privaten 5G-Netzen

Obgleich der Übergang zu privaten 5G-Netzen häufig erfolgt, um die Sicherheit zu verbessern, wird dieses Ziel nicht immer erreicht. IoT-Implementierungen können sogar die Zugriffsmöglichkeiten für potenzielle Angreifer vergrößern. Auch besitzen anbieterneutrale O-RAN-Lösungen aufgrund eines gewissen Spielraums bei der Auslegung und Interoperabilität der jeweiligen Standards unter Umständen relevante Schwachstellen. Die Betriebsabläufe und die Netzelemente der Betreiber von privaten 5G-Netzen haben direkten Einfluss auf die Leistung dieser Netze. Damit werden wertsteigernde Sicherheitsdienste unverzichtbar.

Die von VIAVI angebotene Lösung TeraVM zur Emulation von Anwendungen und zur Sicherheitsprüfung ist eine proaktive Option zur Verbesserung der Sicherheit in privaten 5G-Netzen. Die TeraVM-Plattform gewährleistet eine praxisbezogene Bedrohungsemulation auf Grundlage der neuesten Datenbank des Common-Vulnerability-and-Exposure(CVE)-Katalogs. Das System erkennt potenzielle Schwachstellen durch eine erweiterte Bedrohungsanalyse und überprüft die Zuverlässigkeit sicherer Zugangstechnologien.

Herausforderungen beim Testen von privaten 5G-Netzen

Aufgrund der vielfältigen Anwendungsfälle privater 5G-Netze in Unternehmen sind entsprechende Tests sowohl anspruchsvoll als auch unabdingbar. Ein automatisiertes Fabriknetz umfasst möglicherweise Sensoren, den M2M-Datenaustausch, Robotertechnik und andere latenzarme Anwendungen. Auf dem Campus einer Universität befinden sich vielleicht deutlich weniger IoT-Geräte, dafür müssen aber mehr Teilnehmer mit bandbreitenintensiven Diensten unterstützt werden.

Industry Automation

Da die Bereitstellung privater 5G-Netze mit beträchtlichen Investitionskosten verbunden sein kann, sind wirtschaftliche Tests vor der Inbetriebnahme dieser Netze erforderlich, um alle Mobilitätsszenarien zu prüfen. Hier können sich die Inhaber der betreffenden Standorte sowie die Entwickler von privaten Netzen auf die Kompetenz der Branchenspezialisten verlassen, um die benötigten Leistungsparameter zu gewährleisten und die Investitionsrendite (RoI) zu maximieren.

  • Small-Cell-Systeme können besonders hohe Anforderungen stellen, um beispielsweise eine optimale Positionierung der Kleinzelle, die gewünschte Netzabdeckung sowie den benötigten Durchsatz sicherzustellen. Da jeder Ausfall von Geräten die Dienstgüte erheblich beeinträchtigen kann, muss eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet bleiben. Gründliche Netzwerktests und die Überprüfung der Netzabdeckung werden empfohlen, um die Leistung der Kleinzellen sicherzustellen.
  • Tests des 5G-SA-Kernnetzes (Core) sind unverzichtbar, um die Zuverlässigkeit der privaten Netze, insbesondere für Industrie 4.0 und andere industrielle Anwendungsfälle, zu garantieren. Der TeraVM-5G-Core-Test ist eine effektive Methode zur Validierung des 5G-Kernnetzes und der SBA-Architektur unter simulierten praxisnahen Bedingungen. Die 5G-Core-Emulation ist ebenfalls nutzbar, um die Netzwerk-Infrastruktur einem Belastungstest zu unterziehen und die Einhaltung der kritischen Leistungsindikatoren (KPI) nachzuweisen.

Wie sollten private 5G-Netze getestet werden?

Obgleich private Netze kleiner sind als kommerzielle 5G-Implementierungen, sollten beim Testen von privaten 5G-Netzen über den gesamten Lebenszyklus hinweg die gleichen strengen Kriterien zur Anwendung kommen. Der erste Schritt sind robuste Core-Tests und die Überprüfung der Reichweite und einwandfreien Funktion des Netzes. Zur Kontrolle der Dienstgüte (QoS) nach der Aktivierung kann eine Netzwerk-Überwachungssoftware genutzt werden. Die Testverfahren zur Überprüfung privater 5G-Netze sollten sich auf die folgenden Parameter konzentrieren:

  • Sicherheit
    In privaten 5G-Netzen sind Objekte, Daten und Steuerungssysteme einem beispiellosen Risiko ausgesetzt. Dieser Umstand erfordert eine geringere Toleranz gegenüber Cyber-Sicherheitsrisiken. Hier werden proaktive Sicherheitssysteme sowie eine robuste Überwachungs- und Reaktionsplanung benötigt, um das Ökosystem der privaten 5G-Netze zu schützen.
  • Zuverlässigkeit
    Private LTE-/5G-Netze haben sich von zweckmäßigen Kommunikationsdiensten für externe Standorte zu kritischen Datenübertragungspfaden entwickelt, die erhebliche Auswirkungen auf die Finanzen und die Sicherheit des betreffenden Unternehmens haben können. Daher sind vor der Inbetriebnahme umfassende Netzwerktests sowie später eine laufende Überwachung sicherzustellen, um die Zuverlässigkeit der Netze unter allen vorhersehbaren Bedingungen gewährleisten zu können.
  • Durchsatz
    Die Leistung privater 5G-Netze wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. Dazu gehören das Layout der Kleinzellen, die Taktung/Synchronisation des Netzwerks, der Aufbau des Kernnetzes (Core), Interferenzen sowie verschmutzte oder beschädigte Glasfaser-Steckverbinder. Die Erstüberprüfung und anschließende kontinuierliche Überwachung des Durchsatzes ermöglichen, fundierte Aussagen zur Gesamtleistung des Netzwerks zu treffen.

Der Lebenszyklus privater 5G-Netze

  • Entwicklung privater 5G-Netze

    Private 5G-Netze und O-RAN versetzen die Anwender in die Lage, eigene, individuell zugeschnittene 5G-Netze zu planen, aufzubauen und zu betreiben. Allerdings verfügen nur wenige Unternehmen über die Fachkompetenz, diese Arbeiten ohne externe Hilfe selbst auszuführen. In Partnerschaft mit Telekommunikationsunternehmen, Anbietern privater 5G-Netze und Testspezialisten ist es oft möglich, diese Netze, einschließlich der Simulation benötigter Tests im Labor, kostengünstiger bereitzustellen.

    Der von VIAVI angebotene Netzwerktester TM500 ist eine effektive Lösung zum Simulieren des Netzverkehrs und des Teilnehmerverhaltens, der eine Vielzahl unterschiedlicher Nutzungsfälle privater 5G-Netze berücksichtigt. Dieses Tool erlaubt, eine große Anzahl von Endgeräten (UE) pro Zelle zu simulieren, um die Kapazität zu bewerten.

  • Bereitstellung privater 5G-Netze
    In Abhängigkeit von den Anforderungen, die der Netzbetreiber an den Datenschutz, die Dienstgüte (QoS), die Spektrumnutzung (lizenziert und/oder lizenzfrei), die Einbeziehung mehrerer Standorte und die individuelle RAN-Anpassung stellt, stehen mehrere Optionen zur Bereitstellung privater 5G-Netze zur Verfügung.
    • Eigenbetriebene private 5G-Netze werden vollkommen unabhängig („Standalone“) von externen Mobilfunknetzbetreibern (MNO) betrieben. Sie besitzen ein autarkes Kernnetz (Core) und Funkzugangsnetz (RAN).
    • Shared-RAN- Netze werden auch als hybride Netze bezeichnet. Sie erlauben, innerhalb des Unternehmens eigenständige Dienste einzurichten, nutzen aber das RAN und das Frequenzspektrum eines öffentlichen Netzes. Bei dieser Option übernimmt der MNO einen Teil der Steuerung der Teilnehmer und des Netzes.
    • Network-Slicing- Optionen nutzen einen separaten, virtuellen Teil des MNO-Netzes für private Anwendungen. Dieser spezifisch angepasste Anteil („Slice“) ist für die private Nutzung durch das betreffende Unternehmen reserviert.
  • Assurance privater 5G-Netze
    Eine kontinuierlich hohe Leistung privater 5G-Netze ist die Voraussetzung für die Bereitstellung kritischer Geschäftsdienste, des benötigten Durchsatzes und der Sicherheit. Hier wird eine hohe Zuverlässigkeit (Assurance) benötigt, um eine angemessene Sichtbarkeit erzielen und Störungen umgehend beheben zu können. Aufgrund der Komplexität von 5G stellt diese Aufgabe besonders hohe Anforderungen.

    Die von VIAVI angebotene Lösung NITRO ist eine intelligente Echtzeit-Plattform zur Assurance und Optimierung von Netzen, die eine nahtlose Ende-zu-Ende-Sichtbarkeit gewährleistet. Mithilfe von maschinellem Lernen (ML) und künstlicher Intelligenz (KI) stellt NITRO ein systematisches Konzept zur Assurance privater 5G-Netze zur Verfügung und vermittelt kontinuierliche Einblicke in die Teilnehmer, Dienste und Netzwerkleistung.
VIAVI Nitro Mobile

Wie unterstützt VIAVI private 5G-Netze?

Unternehmen und Einrichtungen jeder Größe erkennen zunehmend den Wert privater 5G-Netze.

VIAVI bietet die umfassenden Testlösungen und die Fachkompetenz, um sicherzustellen, dass diese neuen 5G-Netze vor und nach der Inbetriebnahme eine optimale Leistung zur Verfügung stellen. Vereinfachte intuitive Workflows verringern die Komplexität der Testabläufe und beschleunigen die Markteinführung. Die Test- und Assurance-Lösungen von VIAVI unterstützen alle Netzwerkszenarien, angefangen bei der Installation schlüsselfertiger Hardware bis zum Network-Slicing auf Grundlage von Dienstgütevereinbarungen (SLA), sowie die immer häufigere Kombination verschiedenster hybrider Modelle.

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