Mein Netz, Dein Netz

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"5G ist nicht an jeder Milchkanne notwendig", sagte Forschungsministerin Anja Karliczek (CDU) vor anderthalb Jahren. Mit dieser Aussage löste sie einen Sturm der Entrüstung aus. Doch, gerade an der Milchkanne – zum Beispiel in der Hightech-Landwirtschaft – müsse der neue Mobilfunkstandard der fünften Generation verfügbar sein, sagen ihre Kritiker. Oder in der Industrie, für smarte Städte oder für die Telemedizin. Also dort, wo der schnelle Austausch großer Datenmengen neue Technologien und Geschäftsmodelle ermögliche – künftig also eigentlich überall. Noch gibt es 5G längst nicht an jeder Milchkanne, inzwischen zeigt sich aber, wohin die Reise geht. Für die Wettbewerbsfähigkeit des produzierenden Gewerbes wird 5G in den kommenden Jahren zu einer Schlüsseltechnologie. Eine wichtige Rolle werden dabei so genannte Campus-Netze spielen, mit denen sich Unternehmen eigene 5G-Netze aufbauen können, was sie unabhängig vom öffentlichen Netz macht.

Netz in Scheiben

Ein Campus-Netz hat die Deutsche Telekom für BMW im Werk Leipzig in Betrieb genommen. Der Technologiepartner hat dazu ein Dual-Slice-Netz aufgebaut: Privates und öffentliches Netz funken auf den gleichen Frequenzen und mit gleicher Signalstärke. "Den privaten Part kann der Eigentümer des Campus selbst verwalten und für seine Anwendungen einrichten", sagt Antje Williams, Senior Vice President 5G Campus Netzwerke bei der Deutschen Telekom. "Und mit dem öffentlichen Part kann er sich mit der Außenwelt verbinden." Das ist zum Beispiel nützlich, wenn Partnerfirmen eine Fernwartung an Maschinen vornehmen möchten. Sie haben keinen Zugriff auf das private Netz von BMW, können aber an gleicher Stelle das öffentliche Netz nutzen.

Bei BMW in Leipzig arbeitet das Netz allerdings noch mit LTE, also in 4G-Technik, wie auch bei allen anderen Pilotkunden der Telekom, darunter bei ZF Friedrichshafen oder BorgWarner in Ungarn. Das Dual-Slice-Prinzip soll auch bei künftigen 5G-Netzen zum Einsatz kommen. Dort arbeiten dann das öffentliche Netz und das private Netz auf der gleichen Infrastruktur, entweder auf gleichen Frequenzen oder auf unterschiedlichen Frequenzen, denn für 5G ist ein eigenes Frequenzspektrum für industrielle Anwendungen reserviert. Aber auch rein private Netze wollen die Telekom und Ericsson demnächst errichten, die dann völlig ohne 4G auskommen. Ähnlich hält es der Wettbewerber Vodafone, der sowohl isolierte als auch hybride Campus-Netze für Unternehmen anbietet.

Start mit 4G

Das erste Campus-Netz hat die Deutsche Telekom in Schwabmünchen bei Augsburg für Osram errichtet. Auch das funkt noch mit 4G, soll aber schon bald auf 5G umgestellt werden. Über Funk kommunizieren fahrerlose Transportsysteme, die Teile aus dem Lager an die Arbeitsplätze fahren. Dadurch soll die Produktion flexibler und schneller werden. Auch hier kommt das Dual-Slice-Prinzip zum Einsatz. Das geschlossene, private Funknetz bietet hohe Datensicherheit, garantierte hohe Datenübertragungsraten und niedrige Latenzen und eine hohe Zuverlässigkeit bei geringem Energiebedarf. Dual-Slice kann mit Edge-Technologien kombiniert werden. Damit ist gemeint, dass die Verarbeitung der Daten direkt dort erfolgt, wo sie erzeugt werden. Würde eine Fabrik das öffentliche Netz verwenden, müssten die Informationsströme große Umwege nehmen, was bei zeitkritischen Prozessen wertvolle Millisekunden kosten kann. "Unser Ziel ist die smarte Fabrik, in der alle Maschinen und Planungsprozesse digital und in Echtzeit miteinander vernetzt sind", sagt Stefan Fritz, Vice President Digitale Fabrik bei Osram.

Campus-Netze sind an sich nichts neues, jede Universität hat eines, daher kommt auch der Name. Doch dort sowie heute noch in vielen Fabriken arbeiten diese Netze mit WLAN, also der Technik, mit der viele Haushalte ins Internet gehen. Das ist okay, solange sich nichts bewegt. Bei Osram hingegen müssten die fahrenden Roboter jedes Mal anhalten, wenn sie in eine andere Funkzelle wechseln, und eine neue Verbindung aufbauen. Auch gibt es bei WLAN häufig tote Ecken, wo das Funksignal nicht hinkommt, zum Beispiel hinter Maschinen mit großen Metallflächen.

Hohe Frequenz – hohes Tempo

Anders bei 5G. Es kann auf unterschiedlichen Frequenzbändern arbeiten. Und es ist flexibel bezüglich Reichweite, Datendurchsatz und Latenz, je nach Anforderungen der Anwendung. Ein Vorteil von 5G ist die flexible Frequenzwahl auf niedrigen, mittleren und hohen Frequenzen. Niedrige Frequenzen decken ein großes Areal ab, übertragen Daten aber recht langsam. Bei hohen Frequenzen – die bei 5G bei 26 Gigahertz liegen – ist es umgekehrt: Die Abdeckung reicht nur für eine kleine Werkstatt, dafür sind die Datenübertragungsraten enorm hoch. Wenn in Deutschland von 5G die Rede ist, ist meist das mittlere Frequenzband bei rund 3 Gigahertz gemeint, das einen guten Kompromiss zwischen Abdeckung und Tempo bietet. Die Bundesnetzagentur hat einen Frequenzbereich bei 3,7 Gigahertz eigens für industrielle Anwendungen reserviert. Die Netzbetreiber können diese Frequenzen zusammenführen mit den öffentlichen Frequenzen. Der Kunde kann dann entscheiden, was er für seine Anwendung braucht. Für kleinere Unternehmen eignet sich das Dual-Slice-Verfahren, größere Unternehmen können ein echtes Netz mit eigener Antenne und einem Server aufbauen, der die Daten schon auf dem Firmengelände verarbeitet.

Dicht gedrängt und mobil

Vieles bei 5G sind noch Visionen. Was einmal möglich sein wird, demonstriert das Center of Connected Industries (CCI), das in Aachen eine Modellfabrik betreibt, die komplett mit 5G vernetzt ist. "Die Gerätedichte dort ist sehr hoch", sagt Joe Wilke, Leiter des Center of Excellence für Industrie 4.0 bei Ericsson, das Partner in dem Modellprojekt ist. Über 5G können viel mehr Geräte auf engem Raum kommunizieren und sie dürfen auch mobil sein. "Das ist wichtig für eine volle Transparenz über die Eigenschaften der produzierten Güter und um schnelle Entscheidungen zu treffen im Produktionsprozess, etwa mit der Methode des Digitalen Zwillings – das steigert die Effizienz der Produktion deutlich." Was am CCI demonstriert wird, nennt Wilke ein Ökosystem-Spiel. Damit ist gemeint, dass viele Unternehmen aus ganz unterschiedlichen Branchen in einer Anwendung zusammenarbeiten müssen: Hersteller von Sensoren, von Videokameras, automatischen Fahrzeugen und natürlich Firmen wie Ericsson oder die Netzbetreiber – 5G ist für alle die gemeinsame Klammer.

Das Campus-Netz am CCI besteht aus einem Netzwerkrechner und mehreren Antennen, die aussehen wie eine dicke Frisbee-Scheibe. Die Antennen sind per Funk verbunden mit kleinen 5G-Modulen, die zum Beispiel in autonomen Minirobotern stecken und von einer zentralen Anwendung gesteuert werden. Die Partner aus Forschung und Anwendung wollen hier neue Technologien und Dienstleistungen testen, für Anwendungen, die große Datenmengen produzieren. "Vergleicht man die Logistik in der Produktion, dann hat sich das Datenaufkommen in den letzten drei Jahren vervierfacht", sagt Stephan Salman, Leiter von Technologie, Architektur und Innovation von T-System Digital Solutions. Sein Unternehmen bietet einen Campus-Baukasten an. Basis ist das 5G-Netzwerk, darauf baut die Edge-Cloud auf, die die schnelle Datenverarbeitung übernimmt und zuoberst thronen die Anwendungen, diese Daten nutzen: autonome Fahrzeuge, hochgenaue Navigationsdienste auf dem Campus, erweiterte und virtuelle Realität und viele weitere. Beispiel Datenbrillen: Die sind heute deshalb noch so schwer, weil in ihnen viele Daten verarbeitet werden. Übernimmt ein externer Rechner diese Verarbeitung, könnten solche Brillen deutlich leichter ausfallen, allerdings nur, wenn die Daten schnell genug zur Brille übertragen werden. Genau das leistet 5G.

Weniger Ausschuss beim Fräsen

Geistiger Vater des Aachener 5G-Industry Campus Europe ist Niels König vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT. 2017 kam das Institut zufällig mit Experten von Ericsson in Kontakt. Der schwedische Konzern hatte die 5G-Technologie maßgeblich mitentwickelt, aber keine rechte Vorstellung, welche Herausforderungen es in der Fertigung gibt. "Wir haben uns zusammengesetzt und uns gleich sieben mögliche Anwendungen ausgedacht, die wegen der Anforderung an extrem kurze Latenz nur mit 5G gehen", erinnert sich König. Eine Idee führte zu einem gemeinsamen Projekt mit MTU Aeroengines. Das IPT stellt für das Unternehmen Prototypenkomponenten für Triebwerke her, die sehr schwer zu fertigen sind. Das Problem: Beim Fräsen kommt es zu Schwingungen, die die Fräsmaschine blitzschnell ausgleichen muss, weil sie sonst teuren Schrott produziert – bis zu 60.000 Euro pro Schaufel. Dazu haben die Fraunhofer-Forscher einen Schwingungssensor entwickelt, der allerdings ohne Kabel arbeiten muss, weil sich Bauteil in fünf Achsen frei bewegt. König: "Wir müssen dafür so nah wie möglich ans Werkzeug." Die Lösung: Der Sensor kommuniziert via 5G mit der Maschine. Das Netz des 5G-Industry Campus Europe ist schnell genug, um die Frässpindel bei drohenden Schwingungen zu drosseln.

Im Marketing der Mobilfunknetzbetreiber klingt es so, als seien alle Probleme gelöst und die Technik einsatzbereit. Doch König bremst zu hohe Erwartungen. Kleine Plug-and-Play-5G-Module für Maschinen, Sensoren oder autonome Fahrzeuge würden jetzt erst entwickelt. Unter anderen von Forschungspartnern wie der Fraunhofer-Gesellschaft, wie König betont. "Die Mobilfunkbetreiber müssen die Bedürfnisse der Industrie noch besser verstehen", fordert König, denn diese lieferten nur die Verbindungstechnik. "Wer hilft, wenn eine Maschine nicht antwortet?" Hier sieht König ein großes Betätigungsfeld für kleinere Unternehmen. "Auch das Fraunhofer IPT überlegt, ein Spinoff zu Dienstleistungen rund um 5G zu gründen."

Weitere Texte zur "Fabrik der Zukunft":

• 5G stärkt das Immunsystem der Wirtschaft
• Die lernende Fabrik

(jle)