Wesentliche Voraussetzungen für private 5G-Szenarien

5G als Türöffner für Smart Factory und Industrie 4.0

| Autor / Redakteur: Dr. Martin Klapdor / Andreas Donner

5G bietet auch im Rahmen privater Netze auf eigenem Gelände viele Möglichkeiten im Bereich Industrie 4.0 – allerdings nur bei entsprechender Vorbereitung der Corporate-LANs.
5G bietet auch im Rahmen privater Netze auf eigenem Gelände viele Möglichkeiten im Bereich Industrie 4.0 – allerdings nur bei entsprechender Vorbereitung der Corporate-LANs. (Bild: © magele-picture - stock.adobe.com)

Anfang 2019 soll es für Telekommunikationsunternehmen mit der Frequenzversteigerung für das Netz der fünften Generation losgehen. Zudem sollen Unternehmen, Gemeinden und lokale Telko-Anbieter künftig per Antragsstellung auf ihrem Gelände eigene 5G-Netze für Smart Factory oder Industrie 4.0 aufbauen können. Doch für derartige 5G-Szenarien braucht es taugliche Netze.

Die Bundesnetzagentur will Industrieunternehmen, regionale Netzbetreiber, KMU und Startups bei der Automatisierung ihrer Geschäftsprozesse durch 5G unterstützen. Dazu wird die Bundesbehörde laut eigenen Angaben für Anwendungen in der Industrie und der Landwirtschaft zusätzliche Frequenzen im Bereich 3,7 bis 3,8 GHz sowie 26 GHz bereitstellen. Interessierte können sich dann per Antragsstellung ein eigenes 5G-Netz auf ihrem Gelände aufbauen. So soll es für alle Beteiligten – Unternehmen, Gemeinden, regionale Anbieter und Telekommunikationsanbieter – einfacher werden, 5G-Szenarien wirklich flächendeckend umzusetzen.

Doch was bedeutet diese Neuerung für Unternehmen? Erdachte Einsatzszenarien für 5G gibt es bereits viele, die technische Umsetzung birgt hingegen viele Herausforderungen. Denn das Zukunftsnetz besteht, wie der Name vermuten lässt, nicht aus einer einzigen Technologie – sondern ist ein Zusammenspiel aus vielen verschiedenen Technologien sowie Soft- und Hardware-Komponenten. Dies macht eine Flexibilisierung von Netzen und Unternehmensnetzwerken künftig unabdingbar.

Unternehmen sollten konkrete Einsatzszenarien definieren

Bereits 2016 haben die Dachorganisation für Standardisierung im Mobilfunk 3GPP (3rd Generation Partnership Project) und das Gremium ITU-R (International Telecommunication Union – Radiocommunication Sector) vier grundlegende Einsatzbereiche und Use Cases sowie den dafür notwendigen Netzwerkbetrieb für 5G klassifiziert: die Vernetzung im IoT, die industriespezifische Vernetzung, die Versorgung des Endkunden mit Breitbanddiensten sowie den Bereich rund um das vernetzte Fahrzeug.

Anhand dieser Einsatzszenarien wird eruiert, welche Anforderungen 5G-Technologien und Netze künftig erfüllen müssen. Für die Umsetzung von 5G-Anwendungen in Unternehmen sind vor allem drei der von 3GPP definierten Bereiche interessant. Diese sind nach neueren Use-Case-Modellen zu unterscheiden in „Enhanced Mobile Broadband“, „Massive Machine Type Communication“ und „Ultra Reliable Ultra Low Latency“.

Vernetzung von vielen Endgeräten im Internet of Things

Die Einsatzszenarien aus dem Bereich „Massive Machine Type Communication“ oder „Massive Internet of Things“ fokussieren sich vor allem auf die landwirtschaftliche Vernetzung (Smart Farming), auf intelligente Städte und Gebäude (Smart Cities) sowie die Vernetzung von e-Health-Systemen und Versorgungssystemen (Smart Utilities). Konkret geht es hier vor allem um die Konnektivität einer großen Anzahl an heterogenen Endgeräten, Aktoren und Sensoren. Ein Beispiel ist die Ausstattung von Nutztieren mit Sensoren und einer entsprechenden Anbindung an Melk- und Futtersysteme. Oder die autonome Steuerung von Landmaschinen und Feldrobotern in Abhängigkeit von Wetter- und Umweltparametern.

Bei Massive-IoT-Szenarien ist es vor allem wichtig, die Vielzahl an Endgeräten, Sensoren und Anwendungen zu provisionieren sowie die erzeugten Daten zu transferieren – sei es an Kunden, Unternehmen oder Service Provider. Außerdem muss das Netz in der Lage sein, tausende Sensoren und Endgeräte zu versorgen. Und diese Herausforderungen müssen Unternehmen nicht unbedingt über 5G lösen. Sie können als Alternative etwa auf das Netzwerkprotokoll Low-Power Wide-Area (LPWA) setzen.

Durch die massive Skalierbarkeit von LPWA ist es möglich, Tausende von Endgeräten pro Zelle in nur einem Netz zu verbinden, ohne eine neue Infrastruktur aufbauen zu müssen. Außerdem zeichnet sich LPWA durch geringen Stromverbrauch der IoT-Endgeräte, geringe Modulkosten und Wartung, hohe Gebäudedurchdringung sowie die Übertragungsfähigkeit von kleinen Datenmengen bei einem Durchsatz von 50 kbps (NB-IoT) über größere Distanzen hinweg aus.

Alternativen zu 5G gibt es schon jetzt

Bekannt ist vor allem die auf LPWA basierende Technologie „Narrowband-IoT“ (NB-IoT). Diese kann über Softwareupgrades des Funkzugangsnetzes innerhalb des bestehenden LTE-Netzes aktiviert werden. NB-IoT-Projekte gibt es bereits vor allem im Schienennetz, bei Smart Metering oder Smart Cities mit Pilotprojekten bei Parkleitsystemen. So setzen etwa der Flughafen München und die Städte Hamburg und Hannover in Zusammenarbeit mit Telekommunikationsanbietern NB-IoT ein. Vodafones plakatives NB-IoT-Projekt Moocall stattet etwa trächtige Kühe mit Sensoren aus und benachrichtigt Landwirte via App, um so die Sterberate bei Kälbern zu senken.

Auch LPWA-Netze sollten überwacht werden

Dennoch sollten Unternehmen bedenken, dass LPWA-Verbindungen, ebenso wie Mobilfunkgeräte-Verbindungen und OTT-Dienste auch, über das bestehende LTE-Netz laufen, sodass es bei Lastspitzen zu Kapazitätsproblemen kommen kann. Eine geeignete Monitoring-Software für das Netz kann zeigen, welche Komponenten miteinander kommunizieren und macht somit Abhängigkeiten transparent. Auch plötzliche Veränderungen können detektiert werden – sei es, dass sich das Antwortzeitverhalten eines Systems ändert, das Datenvolumen unerwartet steigt oder fällt oder Server nicht mehr innerhalb des Quality-of-Service-Levels antworten. Auf diese Weise kann die Fehlersuche eingegrenzt werden. Werden zum Beispiel Zwischenvermittler beziehungsweise externe Dienstleister zwischen Netzbetreiber und Unternehmen eingebunden, ist es über ein Monitoring eher möglich, die jeweiligen Verantwortlichkeiten bei Störungen zuzuordnen.

Die Grafik stellt die vier grundlegenden Einsatzbereiche und Use Cases für 5G dar, die die 3GPP und die ITU-R klassifiziert haben.
Die Grafik stellt die vier grundlegenden Einsatzbereiche und Use Cases für 5G dar, die die 3GPP und die ITU-R klassifiziert haben. (Bild: Netscout)

Verarbeitung geschäftskritischer Daten

Unter den durch das 3GPP-Gremium definierten Bereich „Critical Communications“ oder auch „Ultra Reliable Ultra Low Latency“ fällt die industriespezifische Vernetzung etwa von Robotern und intelligenten (Produktions-) Maschinen, und damit auch die Verarbeitung geschäftskritischer Daten. Gleichzeitig wurde hier auch der Bereich „Enhancement of Vehicle-to-Everything (eV2X)“, also das autonome, vernetzte Fahren, eingeordnet. Bei diesen Einsatzszenarien ist damit vor allem eine hohe Verfügbarkeit und Verlässlichkeit der eingesetzten Netzwerktechnologien wichtig.

Um die Verlässlichkeit sicherzustellen, kommt dem Thema Service Assurance – also der Absicherung von IoT-Diensten durch genaue Überwachung der Servicebereitstellungsinfrastruktur – eine kritische Bedeutung zu. Dies ist wichtig, damit Unternehmen und Carrier jederzeit Einblick haben, ob Daten von Geräten, Maschinen und Sensoren korrekt verarbeitet und fristgerecht für weitere Anwendungen und Maschinen bereitgestellt werden. Zugleich bedeutet die hohe Abhängigkeit einzelner Prozesse im IoT voneinander, dass ein Ausfall einer Komponente weitaus gravierendere Auswirkungen zur Folge hat. Dadurch steigt der Druck, jederzeit die ungestörte Übertragung und Verarbeitung von Daten zu gewährleisten. Über Anomalie-Detektion und Mustererkennung können etwa Carrier und Unternehmen aus der Ferne überwachen, ob eine Störung vorliegt.

Darüber hinaus erfordert zum Beispiel die M2M-Kommunikation in intelligenten Produktionsumgebungen eine Echtzeit-Interaktion. Somit muss das eingesetzte Netz vor allem in der Lage sein, einen hohen Datendurchsatz zu verarbeiten, aber gleichzeitig eine niedrige Latenzzeit zu bieten. Beim vernetzten Fahren sind sogar noch niedrigere Latenzzeiten, unter einer Millisekunde, und eine extrem hohe Zuverlässigkeit unabdingbar, um die notwendige Sicherheit zu gewährleisten.

5G erfordert flexible Netzwerke

Anwendungen aus dem Bereich „Critical Communications“ zeichnen sich also dadurch aus, dass die schnelle und stabile Übertragung kritischer Daten essenziell ist. Um dies zu gewährleisten, sollten Unternehmen vor allem an einer optimierten Netzwerkarchitektur und einer deutlichen Flexibilisierung des Netzwerks arbeiten. Mit dem heute gängigen Hardware-zentrierten Ansatz und bisherigen Methoden des Netzwerkmanagements lassen sich 5G-Szenarien nicht umsetzen. Hierbei kommt vor allem dem Edge Computing eine wichtige Rolle zu, um das Netz der fünften Generation zu entlasten.

Beim Edge Computing werden Daten dort verarbeitet und analysiert, wo sie entstehen – also am Rand (Edge) des Netzwerks. Auf diese Weise verringert sich die Übertragungsstrecke und damit die Übertragungszeit. Auch mögliche Fehlerquellen, die während der Übertragung etwa zur Cloud oder zum Rechenzentrum auftauchen können, werden durch Edge Computing reduziert. So nutzt beispielsweise das Projekt „Digitales Testfeld Autobahn“ von Continental, Deutsche Telekom, Fraunhofer ESK und Nokia Networks moderne Edge-Computing-Technologien, um 5G-gerechte Latenzzeiten zu gewährleisten.

Doch trotz aller Vorteile hat auch Edge Computing einige Nachteile. So beinhaltet das Konzept zahlreiche Technologien wie Sensornetze, mobile Datenerfassung, mobile Signaturanalyse und Peer-to-Peer- sowie Ad-hoc-Vernetzung. Dies macht es für Unternehmen schwierig, die komplette Anwendungs- und Service-Kette zu überwachen. Doch dies ist wichtig, damit Unternehmen jederzeit Einblick haben, ob Daten von Maschinen und Sensoren von Produktions- und Steuerungssystemen korrekt verarbeitet und fristgerecht für weitere Anwendungen und Maschinen bereitgestellt werden.

Virtualisierung von Netzwerkkomponenten

Um das Netz entsprechend an 5G und Edge Computing anzupassen, ist wiederum die Flexibilisierung und damit die Virtualisierung von Netzwerkkomponenten (NFV) essenziell. Durch den Einsatz von NFV und softwaredefinierten Netzwerkfunktionen (SDN) können Dienste deutlich schneller eingeführt und komplexere Anwendungen entwickelt werden. Bei NFV werden Netzwerkfunktionen, die bisher von Geräten wie Routern und Switches übernommen wurden, softwarebasiert bereitgestellt. Außerdem werden bestimmte Funktionen, die bisher von der Hardware übernommen wurden, entkoppelt: Etwa Microservices, wodurch der Netzwerkbetreiber besser skalieren kann. Funktionen wie Firewall, WAN Accelerator, Load Balancer und Routing werden mit Unterstützung von NFV auf virtuellen Maschinen gehostet. Dadurch können beispielsweise Control Plane und User Plane voneinander getrennt werden. Der Vorteil liegt darin, dass unterschiedliche Anwendungen und ihre spezifischen Lasten, wie sie bei 5G vorkommen, so besser bewältigt werden können.

Bereitstellung von Breitbanddiensten

Der dritte Bereich „Enhanced Mobile Business“ fokussiert sich vor allem auf den Endnutzer, um diesem jederzeit und überall Zugang zu mobilen Breitbanddiensten zu ermöglichen. Darunter fallen vor allem Dienste, die eine hohe Auflösung benötigen wie etwa VR- und AR-Anwendungen oder Hologramm-Darstellungen. Das Netz muss also entsprechend in der Lage sein, hohe und stark variierende Datenraten zu verarbeiten, aber dabei ein hochwertiges Nutzererlebnis zu gewährleisten. Außerdem spielt hier auch die Dienste-Verfügbarkeit in öffentlichen Transportmitteln wie Flugzeugen und Zügen eine wichtige Rolle. Hierbei wird unter anderem der Einsatz von Smart Cells wichtig. Dies sind kleine Funkzellen, die Zusatzkapazitäten für ein Mobilfunknetz bereitstellen können. Smart Cells werden wegen ihrer geringen Reichweite vor allem in innerstädtischen Bereichen eingesetzt, um die Abdeckung zu verbessern und mehr Bandbreite zur Verfügung zu stellen. So hat die Telekom in diesem Jahr verlauten lassen, die Bevölkerungsabdeckung von LTE mittels Smart Cells in Deutschland von 94 Prozent im Jahr 2017 auf 98 Prozent im Jahr 2019 zu steigern, wobei die intelligenten Funkzellen künftig auch 5G-Netze unterstützen sollen.

Künftige Herausforderungen

Zwar sind die genannten Use Cases, wie Unternehmen und Telekommunikationsanbieter 5G einsetzen können, definiert – doch die Standardisierung von 5G durch 3GPP ist noch nicht beendet. Frühestens Ende nächsten Jahres soll das zweite Release folgen, das alle Spezifikationen der definierten Use Cases umfasst. Zudem hat die Bundesregierung vor Kurzem verlauten lassen, dass sich die Frequenzvergabe für 5G in Deutschland möglicherweise im nächsten Jahr noch weiter verzögern wird. Bis es soweit ist, sollten Unternehmen daher im ersten Schritt konkrete 5G-Szenarien und damit einhergehende Anforderungen eruieren.

In diesem Zuge sollten sie auch mögliche Brückentechnologien oder Alternativen zu 5G wie LPWA in Betracht ziehen. Seit über einem Jahr ist bereits auch die 5G-Non-Standalone-Architektur (NSA) von 3GPP spezifiziert. Die Spezifizierung erlaubt es Geräteherstellern und Netzwerkanbietern, 5G-Produkte zu entwickeln, die bestehende 4G-/LTE-Netze nutzen und sich darin integrieren lassen. Dieses Jahr im Juni wurde ein wichtiger Schritt Richtung 5G-Standalone (SA) gemacht. Jetzt können Carrier, Hersteller und Unternehmen unabhängig von 4G/LTE 5G-Netze und Produkte entwickeln und aufbauen.

Martin Klapdor.
Martin Klapdor. (Bild: Schwarz- Petra Vallentin / Netscout)

Doch unabhängig davon, für welche Variante sich Unternehmen entscheiden – wesentliche Voraussetzungen für 5G-Szenarien sind immer die Modernisierung und Flexibilisierung von Netzwerken! Dabei müssen die Aspekte Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Reaktionsfähigkeit und Sicherheit gewährleistet werden. Nur so können Unternehmen das volle Potenzial von IoT- und 5G-Szenarien künftig ausschöpfen.

Über den Autor

Dr. Martin Klapdor ist Senior Solutions Architect beim Business-Assurance-Anbieter Netscout. Dort ist er verantwortlich für mobile Daten- und Sprachdienste sowie für den Bereich Virtualisierung. Er ist seit über 18 Jahren in der IT-Branche tätig und verfügt über umfassende Erfahrung in Sachen Netzwerkmanagement, mobilen Technologien, Service Assurance, Data Analytics und IT Performance Management.

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