5G-Campusnetze für industrielle Anwendungen

Die produzierende Branche sieht 5G als wichtigen Baustein für die Digitalisierung und als Fundament für die Industrie 4.0 an. Neben Leistungsmerkmalen wie der im Vergleich zu LTE zehnmal höheren Übertragungsrate und der Echtzeitfähigkeit dient vor allem die extrem hohe Zuverlässigkeit der Vernetzung als entscheidendes Argument für den Einsatz des gehypten Mobilfunkstandards. So lauten wesentliche Ergebnisse einer Umfrage der Managementberatung Detecon und der Universität Regensburg. Vom schnellen, störungssicheren Datenaustausch in den Werkshallen versprechen sich die Protagonisten einen regelrechten Produktivitätsschub, beispielsweise infolge einer flexiblen Anpassung der Produktion an wechselnde Anforderungen – und das bei sinkenden Betriebskosten durch mehr Automatisierung.

Eine Steigerung der Bruttomarge zwischen 5 und 13% sei in Fertigung und Logistik bei einer konsequenten 5G-/LTE-­Vernetzung drin, ergab eine von ABI Research in Kooperation mit dem Netzausrüster Ericsson erstellte Analyse. Die Autoren errechnen unter anderem am Beispiel eines 50000 Quadratmeter großen deutschen Warenlagers den finanziellen Vorteil über eine Laufzeit von fünf Jahren. Das Investitionsvolumen für den Einsatz der benötigten Mobilfunktechnik für Robotik, Warenverfolgung und Zustandsüberwachung der vernetzten Geräte, aber ohne Kosten für Frequenzen, veranschlagen sie auf sechs Millionen Dollar. Im Gegenzug sollen sich eine Ertragssteigerung um 13,2%, ein zusätzliches Durchlaufvolumen von 15,9 Mio. Paletten und operative Einsparungen von 355,5 Mio. Dollar einstellen.

Endlich alles im Fluss

Das große Interesse an Industrial 5G ist angesichts dieses Potenzials verständlich. In der Planung künftiger Produktionsstätten verlieren drahtgebundene Industrienetze an Bedeutung. Sie sollen durch eine leistungsfähige drahtlose Infrastruktur für die Kommunikation zwischen Mitarbeitern, Maschinen und Anlagen ersetzt werden. „In unserer Vision der Fabrik der Zukunft sind nur noch Boden, Wände und Decke statisch und fest. Alles andere ist flexibel, mobil und ordnet sich immer wieder neu“, erklärt Bosch-Geschäftsführer Rolf Najork, zuständig für die Industrietechnik. Diesen Anspruch konnten die bislang zur Verfügung stehenden Kommunikationstechniken nicht erfüllen.

Mit den Optionen, die 5G in der finalen Ausbaustufe bieten soll, ist endlich eine Alternative erkennbar. Die Leistungsdaten der drei grundlegenden Anwendungsprofile klingen jedenfalls beeindruckend: Evolved Mobile Broadband (eMBB) überträgt bis zu 20 GBit/s, Massive Machine Type Communications (mMTC) adressiert bis zu einer Million Komponenten pro Quadratkilometer und Ultra Reliable and Low Latency Communications (uRLL) drückt die Latenz der Funkstrecke auf ­unter eine Millisekunde (siehe Tabelle „5G-Profile für industrielle Anwender“). Mittels Slicing-Technik lassen sich zudem auf einer physischen Netzstruktur mehrere virtuelle Netze mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen bedienen.

5G zahlt mit diesen Eigenschaften ein in die angestrebte Industrie 4.0 mit ihren adaptiven Fertigungszellen, granularer Datenversorgung für Fertigungsstrecken und autonom agierender Robotik und Transportlogistik: So oder ähnlich liest sich die Mobilfunk-Revolution im euphorischen Berater-Slang. Dass die hierzu erforderliche Standardisierung und Zuordnung weiterer Frequenzbänder noch einige Zeit beanspruchen wird, wird dabei gelegentlich vernachlässigt. Weitaus bedeutender für die Protagonisten ist, dass Unternehmen 5G künftig auf dem eigenen Gelände installieren und nutzen können: Die Bundesrepublik beziehungsweise die Bundesnetzagentur als ausführende Behörde reservierte von Beginn an 100 MHz der zur Verfügung stehenden insgesamt 400 MHz Bandbreite im Frequenzbereich zwischen 3,7 und 3,8 GHz explizit für die lokale Nutzung in Industrieumgebungen. 

Die Verknappung auf 300 MHz in den übrigen Bändern hat für die vier an der Frequenzauktion teilnehmenden TK-Firmen – Telekom, Telefónica, Vodafone und 1&1 – gleich zwei unangenehme Nebeneffekte. Sie trieben zum einen im Bietergefecht den Gesamtpreis auf 6,6 Mrd. Euro hoch. Zum anderen ist zumindest ein Teil ihrer Pfründe gefährdet, da die industrielle Kundschaft hierzulande für Aufbau und Betrieb lokaler 5G-Campusnetze nicht mehr auf ihr Angebot angewiesen ist. Die von den interessierten Firmen zu entrichtenden Lizenzgebühren werden vergleichsweise überschaubar sein, was die Lage aus Sicht der Carrier zusätzlich verschärft.

Branchenlob für die BNetzA

Die einschlägigen Industrieverbände begrüßten denn auch die von der Bundesnetzagentur ausgelobten Vergabebedingungen für lokale 5G-Campusnetze. Mehrere Dutzend Industrieunternehmen hätten bereits Interesse an entsprechenden Frequenzen angemeldet. Deutschland habe damit die Chance, zum Leitmarkt und Leitanbieter für industrielle Mobilfunkanwendungen zu werden. Hier schwingt die Hoffnung mit, dass die hiesige Wirtschaft in einer durchdigitalisierten Welt im Falle industrieller Mobilfunkanwendungen endlich einmal eine Vorreiterrolle übernehmen kann, zumal man hinsichtlich des Planungs- und Ausbautempos nicht von den Betreibern der öffentlichen 5G-Netze abhängt.

„Ein hochattraktives Preisniveau“, frohlockt beispielsweise Siemens-In­dustrievorstand Klaus Helmrich. Für ein ­eigenes Campusnetz würden bei einer Fläche von 10000 m2 und einer Bandbreite von 60 MHz über eine Laufzeit von zehn Jahren gerade einmal Lizenzgebühren von rund 120 Euro im Jahr fällig. Da ist es nicht verwunderlich, dass der Münchner Konzern gemeinsam mit Qualcomm Technologies ein eigenständiges privates 5G-Netz im Nürnberger Automotive Show­room und Testcenter installiert. Erwartungsgemäß stellt Siemens das industrielle Set-up wie Simatic-Steuerungen und IO-Devices zur Verfügung. Der kalifornische Kommunikationspartner liefert die Ausrüstung fürs 5G-Testnetz. Evaluiert wird unter anderem das Zusammenspiel des Mobilfunkstandards mit Industrieprotokollen wie OPC UA oder Profinet.

Für das Industrie-4.0-Leitwerk in Stuttgart-Feuerbach und den Forschungscampus in Renningen hat Bosch Frequenzen zum Aufbauen privater 5G-Netze beantragt. Die ausgewählten Standorte sollen Pionierarbeit für den gesamten Bosch-­Verbund aus rund 280 Werken weltweit leisten, heißt es. Nach Überzeugung der Stuttgarter machen Campusnetze Fabrikbetreiber unabhängiger. Ist beispielsweise das öffentliche Netz über­lastet, bleibt bei lokalen 5G-Netzen der operative Betrieb dennoch gewahrt. „Mit Campusnetzen können wir selbst kontrollieren, wie das Netzwerk aufgebaut und abgesichert ist und welches Equipment zum Einsatz kommt. Und es ist ersichtlich, wer Zugriff auf bestimmte Komponenten und Daten hat“, erläutert Andreas Müller. Der Bosch-­Forscher hat den Vorsitz der internatio­nalen Initiative 5G-ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Auto­mation) inne, deren Anliegen die Indus­triefähigkeit des neuen Kommunikationsstandards ist.

Das 5G-Engagement von Bosch und Siemens beschränkt sich nicht auf den Eigenbedarf. Als Ausstatter der produzierenden Industrie sind sie ebenso ­gefordert, ihr Produktportfolio auf die kommende ­Mobilfunkgeneration vorzubereiten. Die Münchner nutzen das eigene Campusnetz beispielsweise als Ausgangspunkt für die Entwicklung eines ersten 5G-­fähigen Industrierouters innerhalb der Scalance-M-­Produktfamilie. Bosch Rexroth bereitet wiederum die neue, auf einem Echt­zeit-­Linux basierende Steuerungstechnik ctrlX mittels Zusatzmodul für Time-­sensitive Networking (TSN) über Mobilfunk vor, wie es die 5G-Release 16 vorsieht.

Mobilfunk statt Ethernet-Kabel

Maschinenbauern steht damit künftig die Option offen, ohne Softwareänderungen und je nach den Gegebenheiten eine 5G-gestützte statt der drahtgebundenen Ethernet-Kommunikation zu nutzen. Auf der diesjährigen SPS-Messe demonstrierte Bosch mit Unterstützung von Qualcomm anhand der Synchronisation zweier TSN-­Steuerungen in Echtzeit über ein 5G-Testnetz im 3,7-GHz-Band, wie das Ganze funktioniert (siehe Abbildung 1).

Nicht jedes produzierende Unternehmen startet das Abenteuer der Lizenzierung und des Aufbaus privater Campusnetze in Eigenregie. In einer Umfrage zu „5G im Maschinenbau“ ermittelte beispielsweise der VDMA, dass 69% der Maschinen- und Anlagenbauer ihre Produkte mit einer 5G-Schnittstelle ausrüsten wollen. Allerdings beabsichtigt nur gut ein Drittel, ein Campusnetz einzurichten. Davon wiederum plant nur ein geringer Anteil eine eigene Infrastruktur aufzubauen. Stattdessen greift die Hälfte lieber auf die Unterstützung nationaler Netzbetreiber zurück. In anderen Branchen ist eine vergleichbare Einstellung zu beobachten.

Nicht jeder will Provider sein

Dass nicht jeder 5G-Anwender selbst die Rolle eines Providers anstrebt, und sei es nur für das eigene Terrain, liegt in der Komplexität der Infrastruktur. Mit 5G hält eine neue Netzwerkarchitektur in der Kommunikation Einzug, die konsequent den Designprinzipien Network Functions Virtualization (NFV) und Software-de­fined Networking (SDN) folgt. Das Konzept des Slicing ermöglicht es zudem ­aufgrund der separierten Steuerungs- und Traffic-Schichten, Ressourcen bestimmten Serviceanforderungen zuzuordnen. Auf diesem Weg lassen sich in einem physischen Netz unterschiedliche virtuelle Teile mit spezifischen Eigenschaften gruppieren, um eine bestimmte Über­tragungsrate oder Latenz zu garantieren. Die damit verbundene Programmierbarkeit ist gleichermaßen Fluch und Segen: Sie bringt viel Betriebsaufwand mit sich, eröffnet aber auch ein vielfältiges Funktionsspektrum.

Zum Aufbauen eines Campusnetzes muss ein Unternehmen auch nicht zwangsläufig Provider werden. Die technischen Eigenschaften eröffnen unterschiedliche technische Wege der Realisierung. Den höchsten Freiheitsgrad für individuelle Zuschnitte und den größten Schutz verspricht ein privater Netzaufbau aus Basisstation, Antennen und Servern, der vom öffentlichen 5G-Netz isoliert ist. Externe Dienste sind höchstens über einen Firewall-gesicherten Pfad angebunden (siehe Abbildung 2).

Daneben gibt es abgestuft engere direkte Verbindungen mit öffentlichen 5G-­Netzen – über gemeinsam genutzte Funkmodule, Einbindung in die allgemeine Verwaltungsschicht bis hin zur Implementierung als logisch unabhängiges Netz auf dem allgemein zugänglichen Netz (siehe Abbildung 3).

Dass Industrieunternehmen auf externe Hilfe beim Aufbau eigener Campusnetze zurückgreifen, liegt mitunter an dem für sie recht ungewohnten Technikumfeld. Schließlich zählen grundlegende Arbeiten wie das Planen von Sendestationen zur Gelände- oder Gebäudeabdeckung nicht gerade zu deren Kernkompetenzen. Mercedes-Benz lässt sich beispielsweise im digitalen Vorzeigewerk Factory 56 „sein“ 5G-Netz von Telefónica Deutschland und dem Netzwerkausrüster Ericsson implementieren. Das über 20000 m2 große Sindelfinger Werk wird künftig von zahlreichen mit einem zentralen 5G-Hub verbundenen Indoor-Antennen ausgeleuchtet. Das Ziel besteht darin, die Produktionsprozesse durch neue Features wie die Ortung von Produkten auf der Montagelinie und die Verknüpfung mit den entsprechenden Daten zu verbessern.

Netznutzung scheibchenweise

Als weiteren Vorteil des lokalen 5G-Netzes führt Daimler an, dass vertrauliche Produktionsdaten nicht in die Hände Dritter gelangen können. Da ist es nur konsequent, wenn der Automobilhersteller das Netz nach der Inbetriebnahme in Eigen­regie verwalten möchte.

Das Aachener Vorzeige-Start-up e.GO Mobile AG beauftragt wiederum Vodafone und Ericsson damit, die Produktions- und Logistikhalle ihres Elektrofahrzeugs mit einem autarken Mobilfunknetz auszustatten. Techniken wie Network Slicing kombiniert mit Mobile Edge Computing – also der Datenverarbeitung direkt in der Halle – drücken die Latenzzeit auf unter zehn Millisekunden. Autonome Transportfahrzeuge, Maschinen und Werkzeuge tauschen so nahezu in Echtzeit Informationen aus. Mit Blick auf die umgesetzte und noch angestrebte Automatisierung in der Produktion verleiht e.GO-Gründer Günther Schuh seiner Fabrik wenig bescheiden das Etikett „echte Industrie 4.0“. Gefunkt wurde zunächst im LTE-Netz. Seit dem Sommer 2019 fand dann aber der Tausch gegen Ericssons 5G-Antennentechnik Radio Dot statt – und damit der Einstieg in die „echte“ 5G-Kommunikation.

Slicing steht auch in den 5G-Vorhaben der Telekom weit oben auf der Agenda. Im Rahmen eines EU-geförderten Feldversuchs hatte der Konzern gemeinsam mit Equipment-Lieferant Nokia und der Hamburg Port Authority (HPA) die Industrietauglichkeit getestet. Im Testnetz mit zwei Zellen im 700-MHz-Band wurden drei Anwendungsfälle mit unterschiedlichen Anforderungen als Slices – also logisch unabhängigen Netzen – realisiert. Beim Lichtkonzern OSRAM und später beim Automobilzulieferer ZF Friedrichshafen installierten die Bonner ein sogenanntes „Dual Slice“-Campusnetz. Dieses kombiniert ein öffentliches und ein privates Funknetz zu einer gemeinsamen Infrastruktur. Zusätzlich wurden Edge-­Systeme aufgestellt, um komplexere Rechenprozesse vom entfernten Rechen­zentrum auf einen lokalen Rechner zu verlagern. Daten werden so schneller verarbeitet. Als Funktechnik kam in den Campusnetzen auch hier zunächst LTE zum Einsatz. 2020 steht im Rahmen ­einer lokalen Campuslizenz der Wechsel zu 5G an.

Die Erfahrungen bei OSRAM, ZF Friedrichshafen und der ungarischen BorgWarner nutzte die Telekom jetzt dafür, zwei vorkonfigurierte Campusnetz-­Produkte auf die Beine zu stellen, unter anderem mit Ericsson-Technik. Beim für mittelständische Anwender gedachten Campus M erfolgt die Versorgung des Firmengeländes über das öffentliche Netz, bei Bedarf mittels zusätzlicher Antennen auf dem Gelände. Die Daten gehen hier logisch getrennt vom öffentlichen Netz an den oder die verarbeitenden Rechner. Die Variante für Konzerne, Campus L, basiert dagegen auf einem privaten Mobilfunknetz mit zugesicherten Netzressourcen auf dem Firmengelände. Dazu gehört ein eigener Server auf dem Firmengelände als Backend. Die Daten verlassen folglich den Campus nicht.

Das relevante Technikangebot zum Aufbau von Campusnetzen ist noch recht überschaubar, wie die Stuttgarter Beratungsfirma mm1 unlängst in einer Marktstudie festhielt. Sie attestiert insbesondere Nokia und Ericsson ein vollständiges, skalierbares Produktangebot. Qualcomm kann mit Chipsätzen und grundlegendem Know-how als Techniklieferant punkten. Dagegen werden chinesische Anbieter, allen voran Huawei, angesichts der Handelskonflikte und Datenschutzvorbehalte im hiesigen Geschäft recht zurückhaltend bewertet.

Gelungener Coup

Mit den Vergabebedingungen für lokale Campusnetzlizenzen ist der Bundesnetzagentur jedenfalls ein kleiner Coup gelungen, der hilft, das Interesse der Industrieunternehmen an 5G zu fördern (siehe Kasten „Der Antrag fürs eigene 5G-Netz“). Dazu passt, dass in der jetzigen Standardisierungsphase das Hauptaugenmerk der maßgeblichen Organisation 3rd Generation Partnership Project (3GPP) auf industriellen Anforderungen liegt. Für Gunther Koschnick, Geschäftsführer des ZVEI-Fachverbands Automation, ist jetzt der passende Zeitpunkt, Erfahrungen im Aufrüsten der Automatisierungstechnik mit 5G zu sammeln und die Erkenntnisse in die weitere Standardisierung einfließen zu lassen. Schon aus Verbandsinteresse he­raus ist er überzeugt: „2020 wird zum Testjahr für 5G-Campusnetze.“ (un@ix.de)

Achim Born

ist Fachjournalist für Computertechnik und spezialisiert auf IT-Unternehmen sowie Business-Software.