Wozu brauchen Firmen und Fabriken 5G-Campus-Netze?

WLAN oder 5G: So sieht es die Industrie

| Autor / Redakteur: Dr. Harald Karcher / Andreas Donner

5G-Netze können die Digitalisierung der Industrie in Schwung bringen, was diese Tafeln auf der REPLY-Messe in der BMW Welt München andeuten sollen.
5G-Netze können die Digitalisierung der Industrie in Schwung bringen, was diese Tafeln auf der REPLY-Messe in der BMW Welt München andeuten sollen. (Bild: Harald Karcher)

Bald können deutsche Firmen lokale 5G-Frequenzen für private 5G-Netze beantragen. Doch was kann 5G besser als WLAN? Warum will es die Industrie haben? Und wird mit 5G-Campus-Netzen das Ende der bisherigen Industrie-WLANs eingeläutet?

Am 12. Juni 2019 ist die Versteigerung der bundesweiten 5G-Pionier-Frequenzen von 3400 bis 3700 MHz sowie rund um 2 GHz für die bundesweite Nutzung zu Ende gegangen. Insgesamt wurden in diesen Bändern 420 MHz für 6.549.651.000 Euro, kurz gesagt 6,5 Milliarden, an die vier Netzbetreiber Drillisch Netz AG, Telefónica Deutschland GmbH & Co. OHG, Telekom Deutschland GmbH und Vodafone GmbH versteigert. Damit ist jetzt der Weg frei für die Vergabe der restlichen Frequenzen im Bereich von 3700 bis 3800 MHz.

Lokale 5G-Campus-Netze

Schon 2018 haben deutsche Industrie-Betriebe, aber auch Städte, Gemeinden und große Landwirtschafts-Betriebe, lokale und regionale Frequenzen für den Aufbau und Betrieb von eigenen 5G-Netzen gefordert. Tatsächlich sollen lokale (aber vorerst keine regionalen) Frequenzen im Bereich von 3700 bis 3800 MHz ab dem zweiten Halbjahr 2019 von der Bundesnetzagentur nach entsprechenden Anträgen vergeben werden. Und zwar zum Kostendeckungs-Prinzip, also nicht per Auktion gegen Höchstgebote. Quasi für Lau. Das ärgert die großen Telkos, die ja Milliarden für die bundesweiten Lizenzen zahlen müssen.

Hohe Eignung für Hallen und Werksgelände

Just diese Frequenzen von 3700 bis 3800 MHz haben eine hohe Eignung für lokale Anwendungen in Hallen und auf Werksgeländen. Zum Vergleich: Das ebenfalls lokal orientierte WLAN funkt bekanntlich bei 2,4 und bei 5 GHz: Dabei funkt 2,4 GHz etwas weiter, 5 GHz etwas schneller, wenn man es mal ganz knapp und grob sagen darf. Noch ein Vergleich: LTE 800 wird eher für die große Flächendeckung eingesetzt, LTE 2600 dagegen für kleine Funk-Zellen, etwa für dichte Innenstädte, Bahnhöfe und Flughäfen: Die Physik der Wellenausbreitung diktiert den Einsatzbereich, das wird auch bei 5G und Wi-Fi 6 so bleiben.

Diese Huawei-Grafik fasst den ursprünglichen Planungsstand vom Herbst 2018 zusammen. Das Konflikt-Potenzial im Bereich 3,7 bis 3,8 GHz wurde aber per März 2019 entschärft, vor allem durch die vorläufige Streichung der Regional-Frequenzen.
Diese Huawei-Grafik fasst den ursprünglichen Planungsstand vom Herbst 2018 zusammen. Das Konflikt-Potenzial im Bereich 3,7 bis 3,8 GHz wurde aber per März 2019 entschärft, vor allem durch die vorläufige Streichung der Regional-Frequenzen. (Bild: Huawei)

Im Herbst 2018 hatte die Bundesnetzagentur, kurz BNetzA, zwar noch die Absicht, regionalen Outdoor-Nutzern – wie etwa Gemeinden – satte 80 MHz zu geben, und lokalen Outdoor-Nutzern wie etwa Industrie-Betrieben nur schmale 20 MHz, siehe Huawei-Grafik vom Herbst 2018.

Doch in den Anhörungen zeigten sich bundesweite Lizenznehmer wie Telekom und Vodafone entsetzt, weil sie befürchten mussten, dass regionale Anbieter mit üppigen 80 MHz Bandbreiten dann regionale 5G-Netze für Jedermann aufbauen, und somit selber zu Mobilfunk-Netzanbietern werden könnten. Das würde die Geschäftsmodelle der großen Telkos unterlaufen.

5G-und-IoT-Netze für Smart City

Größere Städte und Gemeinden brauchen (und haben) längst eigene Kommunikations-Netze mit höchster Zuverlässigkeit, um ihre vielen Versorgungspflichten erfüllen zu können: Etwa in Form von TETRA Bündelfunk, Kupfer, Glasfaser, WLAN und LoRaWAN. Doch wo sind die Grenzen solcher Netze?

Städte wie München haben längst eigene Kommunikations-Netze, um ihre vielen Versorgungs-Pflichten mit höchster Zuverlässigkeit erfüllen zu können. Erklärt von Dr. Jörg Ochs, Geschäftsführer SWM Infrastruktur.
Städte wie München haben längst eigene Kommunikations-Netze, um ihre vielen Versorgungs-Pflichten mit höchster Zuverlässigkeit erfüllen zu können. Erklärt von Dr. Jörg Ochs, Geschäftsführer SWM Infrastruktur. (Bild: Harald Karcher / Stadtwerke München)

Eine krasse Vision hätte um ein Haar fast so aussehen können: Die Stadtwerke München, kurz SWM, mit über 7 Milliarden Euro Umsatz, würden ein privates 5G-Netz für ihre eigenen Betriebe sowie für Bürger und ansässige Firmen in München bauen. Die SWM hätten damit einen höchst lukrativen Standort, ganz ohne lästige Ausbau-Verpflichtungen in der unrentablen Provinz.

5G-Antennen in jeder Münchener Bushaltestelle

Tatsächlich hat München schon eines der größten Glasfaser-Stadtnetze Deutschlands und Europas unter den Bürgersteigen liegen, circa 9000 Kilometer, eine perfekte Basis für 5G also. Zudem sind fast alle Münchener Bushaltestellen mit Strom, Glasfaser, Internet und Doppeldecken ausgestattet. Man hätte also alle Haltehäuschen ruckzuck mit Puderdosen-kleinen 5G-Antennen ausstatten können und endlich mal ein super schnelles und extrem dichtes Mobilfunknetz in die Stadt bekommen. Auch autonome Fahrzeuge hätten damit beste Bedingungen in München. Bushaltestellen liegen nun mal direkt an den wichtigen Straßen der Stadt, dort wo die Autos fahren.

Städtische 5G-Netze: Horrorvision für Mobilfunker

Solche Aussichten auf Stadt-eigene 5G-Netze müssen für landesweite Mobilfunkanbieter wie Telekom und Vodafone natürlich eine Horrorvision sein, denn sie könnten deren Geschäftsmodell unterlaufen, die Rendite-Rosinen aus dem Kuchen picken, und den Wert der teuer ersteigerten, bundesweiten Frequenzen nachträglich massiv reduzieren.

Zu schön um kurzfristig wahr zu werden: 5G-Antennen in allen Münchner Bushaltestellen! Aber wenigstens funken schon mal 1.500 kostenlose WLAN Access Points mit 85.000 WLAN-Sitzungen pro Tag in der Bayernmetropole. Erklärt von Dr. Jörg Ochs, Geschäftsführer SWM Infrastruktur.
Zu schön um kurzfristig wahr zu werden: 5G-Antennen in allen Münchner Bushaltestellen! Aber wenigstens funken schon mal 1.500 kostenlose WLAN Access Points mit 85.000 WLAN-Sitzungen pro Tag in der Bayernmetropole. Erklärt von Dr. Jörg Ochs, Geschäftsführer SWM Infrastruktur. (Bild: Harald Karcher / Stadtwerke München)

Regionale Frequenzen vorerst gekippt

Tatsächlich waren die großen Telkos schwer verärgert bei dem Gedanken, regionale 5G-Stadtnetze als neue Konkurrenten zu bekommen. Schlimm genug, dass sie mit 1&1 Drillisch schon einen vierten bundesweiten Mobilfunk-Netzanbieter akzeptieren müssen. Die Vergabe von regionalen Frequenzen wurde also kurz vor Beginn der 2019er Frequenz-Auktion von der BnetzA gekippt und vage vertagt. Im zweiten Halbjahr 2019 sollen nur noch lokale Frequenzen mit einer starken Orientierung an Grundstücksgrenzen und Flurnummern vergeben werden.

Zudem wurde die geplante Trennung zwischen lokalen Indoor- und Outdoor-Frequenzen ebenfalls kurz vor der Auktion aufgehoben. Unter anderem wegen zahlreicher Kommentare und Erklärungen großer Industriefirmen, die weit mehr als 20 MHz Bandbreite im lokalen Outdoor-Bereich ihrer Fabriken benötigen, etwa zur Funk-Steuerung von selbstfahrenden Autos, Staplern oder Containern mit jeweils mehreren verbauten Video-Kameras pro Fahrzeug.

So hat sich nach dem politischen Gerangel nun die Situation für 5G-Firmennetze verbessert, aber für 5G-Stadtnetze extrem verschlechtert. Im Weiteren greifen wir nur mal die Autoindustrie heraus:

WLAN versus 5G in der Auto-Industrie

Der Wohlstand von Deutschland hängt nicht zuletzt von der Leistungsfähigkeit der hiesigen Autobauer ab. Der Einsatz von Robotern ist in etlichen Werkshallen bereits weit fortgeschritten. Werden diese jedoch über WLAN gesteuert, dann kommt die größte Schwäche dieser eigentlich sehr beliebten Funktechnik zum Tragen: Es gibt keine garantierte Qualität, weil es für WLAN keine geschützten Frequenzbänder gibt.

Arjen Kreis, links, Leiter der Automatisierungstechnik Karosseriebau bei Audi, erklärt dem Autor Harald Karcher, rechts, die Gründe für den Einsatz von 5G in der Autoproduktion.
Arjen Kreis, links, Leiter der Automatisierungstechnik Karosseriebau bei Audi, erklärt dem Autor Harald Karcher, rechts, die Gründe für den Einsatz von 5G in der Autoproduktion. (Bild: Hannes Rügheimer)

Arjen Kreis, bei Audi Leiter der Automatisierungstechnik Karosseriebau, gibt ein Beispiel: Wenn eigene Mitarbeiter oder externe Besuchergruppen durch die Fertigungs-Straßen gehen, haben sie in der Regel ihre Handys mit WLAN-Empfang oder sogar WLAN-Hotspots aktiviert. Manche tragen sogar mehrere Handys am Leibe. Das kann und will man den Mitarbeitern und Gästen anno 2019 auch gar nicht verbieten. Leider wird das Industrie-WLAN aber von den vielen WLAN-Handys negativ beeinflusst. Im schlimmsten Falle könnten einzelne Roboter wegen der Überfüllung der WLAN-Bänder sogar eine Notabschaltung einleiten, weil sie nicht mehr wissen, was sie tun sollen. So weit lässt man es natürlich nicht kommen.

Viel stabiler als WLAN erscheint den Netzwerk-Planern der Firmen-eigene Campus-Mobilfunk, aktuell noch ein 4G-Projekt bei Audi, bald auch mit echter 5G-Technik aufgerüstet, sobald es die lokalen Lizenzen gibt: Damit entfallen die typischen WLAN-Probleme, weil 4G und 5G in lizensierten Bändern funken, was WLAN halt nicht bieten kann.

Audi Production Lab testet 5G von Ericsson

Audi und Ericsson erproben 5G für die Auto-Produktion, sagte auch Dr. Christoph Bach, CTO Service Providers Western Europe bei Ericsson auf der Dresdener 5G-Connect-Konferenz im Mai 2019. Das Audi Production Lab in Gaimersheim bei Ingolstadt werde Ericssons Proof-of-Concept-Netz bekommen, was immer das auf Deutsch auch heißen mag. Zudem wolle man prüfen, ob 5G auch in weiteren Fabriken der Audi Gruppe ausgerollt werden kann.

Der Netzausrüster Ericsson unterstützt Audi bei der Erprobung von 5G in der Auto-Produktion. Erklärt von Dr. Christoph Bach, CTO Service Providers Western Europe bei Ericsson auf der Dresdener 5G-Connect-Konferenz.
Der Netzausrüster Ericsson unterstützt Audi bei der Erprobung von 5G in der Auto-Produktion. Erklärt von Dr. Christoph Bach, CTO Service Providers Western Europe bei Ericsson auf der Dresdener 5G-Connect-Konferenz. (Bild: Harald Karcher / Ericsson)

5G-Bedarf der deutschen Auto-Industrie

In der „Kommentierung des Anhörungsentwurfs zur lokalen und regionalen Bereitstellung des Frequenzbereichs 3700 MHz- 3800 MHz für den drahtlosen Netzzugang“ vertraten Arjen Kreis und Christian Ferstl im Namen aller Kollegen des Kompetenznetzwerks 5G der AUDI AG schon am 28. September 2018 folgende Meinung:

„Die vielfältigen Anforderungen der unterschiedlichsten Industrien wird der neue Standard weitaus umfassender erfüllen können als bisherige Technologien. Vielfach höhere Übertragungskapazitäten, sehr geringe Latenzzeiten, flexible Bandbreiten für Up- und Downlink, sichere Datenübertragung, garantierte Datenraten über virtuelle Netzwerke, verteilte Server-Architekturen und eine hohe Ausfallsicherheit kennzeichnen diese Technologie.“ Eine leistungsfähige, digitale Infrastruktur werde nicht erst auf der Straße, sondern schon bei der industriellen Fertigung von Fahrzeugen benötigt.

Private 5G-Netze wecken hohe Erwartungen in der Produktion und Logistik von Automobil-Herstellern.
Private 5G-Netze wecken hohe Erwartungen in der Produktion und Logistik von Automobil-Herstellern. (Bild: Harald Karcher / Volkswagen Software Development Center)

100 MHz für industrielle Campus-Lösungen

Mit der vollen Nutzung der Bandbreite von 100 MHz für industrielle Campus-Lösungen im Bereich 3,7 bis 3,8 GHz könne die Automobil-Industrie zum Vorreiter für weitere Wirtschaftszweige werden, erklären die Audi-Männer. Mit den Innovationen "Made in Germany" könne Audi einen wesentlichen Beitrag zur Stärkung des Wirtschaftsstandortes und damit auch zur Etablierung Deutschlands als Leitmarkt für 5G-Anwendungen leisten.

In Ihrer BNetzA-Kommentierung erläutern die Herren von Audi drei spannende Use Cases, die man in ähnlicher Form auch in den Kommentaren der Daimler AG und weiterer Autobauer findet.

Use Case 1: Kommunikations-Anbindung von Robotern

Die an Industrierobotern montierten Greifer und Aktoren würden aktuell via Kabel angebunden, welche durch viele Bewegungen und Vibrationen stark beansprucht werden und deshalb sehr kostspielig sind. Eine Alternative zum Kabel sei der Einsatz von Funktechnologie. Hier eine Audi-Beispielrechnung:

Anzahl Profinet-Netzwerkteilnehmer pro Roboter: 2
Netzwerkauslastung für bidirektionalen Profinet-Datenaustausch mit Übertragungssicherheit (Uplink/Downlink): 800/800 Kbps pro Roboter
Roboter / Fläche Modellhalle: 1800/30.000
Anzahl Roboter mit Greifern auf einer Fläche von 2000 m2 (Karosseriebau): 120
Gesamtmenge Netzwerkbandbreite pro Zelle (Uplink/Downlink): 96 Mbps
Mit Sicherheit und Puffer: 150 Mbps

Jürgen Kübler und Anja Misselbeck von der Daimler AG sehen das in ihrem Kommentierungs-Schreiben an die BNetzA ganz ähnlich und kommentieren dieses Rechenbeispiel so: „Für eine verlässliche Übertragungssicherheit muss die Anbindung der einzelnen UEs (Mobilfunk-Teilnehmer) in der Endumgebung genauestens evaluiert werden. Wir erwarten allerdings, dass auch hier das verfügbare Spektrum im Umfang von 100 MHz bereits mit der Anzahl der heutigen Anwendungsfälle sehr knapp werden wird und zukünftige Use Cases ausschließt, da die Anwendungen parallel im gleichen Segment stattfinden. Alle oben getroffenen Annahmen basieren außerdem auf dem jeweils günstigsten Fall.“

Exkurs: 5G bei 26 GHz mit 1.000 MHz-Bändern

Meinung des Autors: 100 MHz sind eigentlich schon jetzt zu schmal. Zum Vergleich: Ein einziger WLAN-Kanal bei einem guten Wi-Fi-6-Access-Point kann bis zu 160 MHz breit sein. Und sogar mein aktueller Laptop Razer Blade 15 Advanced 2019 mit Intel-Core-i7-8750H-CPU und Geforce-RTX-2070-Grafik hat standardmäßig (!) ab Werk ein WLAN-Funk-Modul namens Intel Dual Band Wireless-AC 9560 unter der Haube, das 160 MHz breites WLAN beherrscht. Fragt sich nur, wo man 160 MHz am Stück in einer städtischen Umgebung mit vielen WLAN-Nachbarn anno 2019 überhaupt noch finden soll. Das Beispiel macht vielleicht klar, warum 5G auch bald bei 26 GHz funken sollte: Da wird es dann vermutlich 1.000 MHz breite Bänder für Campus-Netze geben.

Autonome Transport-Systeme mit 5G-Steuerung versprechen eine höhere Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit als bisherige Funksysteme.
Autonome Transport-Systeme mit 5G-Steuerung versprechen eine höhere Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit als bisherige Funksysteme. (Bild: Harald Karcher / Volkswagen Software Development Center)

Use Case 2: Fahrzeugdaten-Betankung in der Linie

Jedes Fahrzeug, das produziert wird, werde im Laufe des Produktionsablaufs mit der nötigen Software bespielt, erklären Audi und Daimler fast wortgleich: Die Datenmenge, die nach aktuellem Stand bei diesem Software-Download anfällt, liege bei ca. 50 GB in 20 Minuten, also einer Downloadrate von knapp 330 Mbps. Bei einem produzierten Fahrzeug alle 1,5 Minuten seien circa 14 Fahrzeuge gleichzeitig in der Datenbetankung, was auf einen Download-Datendurchsatz von insgesamt 4,6 Gbps hinaus laufe. Parallel dazu fände in derselben Zeit ein Daten-Upload von insgesamt 10 GB statt. Demgemäß würden hier 925 Mbps Upload-Geschwindigkeit benötigt. Um während der Fahrzeugbetankung auch eine Echtzeitdiagnose der Systeme betreiben zu können, müsse systemseitig eine maximale Round-Trip-Latenz von maximal 50 Millisekunden sichergestellt werden. Dafür sei es nötig, pro Fahrzeug eine ausreichend große Menge Frequenzspektrum zu reservieren.

Use Case 3: Fahrzeugdaten-Update von produzierten Fahrzeugen im Außenbereich

Der heutige und zukünftige Softwareanteil im Fahrzeug steigt stetig an, erläutern Audi und Daimler fast unisono. Bei autonom fahrenden Fahrzeugen sei dieser Softwareanteil auch kritisch in Bezug auf den Insassen- und Personenschutz. Darum sei hier die Aktualität der Daten von größter Wichtigkeit. Im Außenbereich eines Fahrzeugwerkes mittlerer Größe befänden sich circa 1.000 Fahrzeuge. Der Fahrzeugzulauf sei von der Taktung der Produktion abhängig, ebenso wie der Transport der Fahrzeuge zu den Händlern bzw. Exportterminals. Das heißt, auch hier gelten die gleichen Rahmenbedingungen wie im obigen Use Case 2.

Die Experten vom Volkswagen Software Development Center sehen 5G als Enabler auch für das Yard Management.
Die Experten vom Volkswagen Software Development Center sehen 5G als Enabler auch für das Yard Management. (Bild: Harald Karcher / Volkswagen)

Die enge Verzahnung der Software-Downloads im Innenbereich und der Software-Uploads im Außenbereich macht deutlich, warum die ursprünglich geplante Unterscheidung von Lokalen Indoor- und Lokalen Outdoor-Frequenzen für große Fabriken sehr unpraktisch gewesen wäre. Daneben wird aus den Beispiel-Rechnungen auch klar, warum Frequenzen im Bereich 3700 MHz- 3800 MHz in der vollen Bandbreite von 100 MHz für Lokale Campus-Nutzungen (mindestens) benötigt werden.

Neben den Autobauern haben auch andere Branchen, etwa Chemiefirmen wie die BASF, ein großes Interesse an lokalen 5G-Frequenzen.
Neben den Autobauern haben auch andere Branchen, etwa Chemiefirmen wie die BASF, ein großes Interesse an lokalen 5G-Frequenzen. (Bild: BASF)

Da nun tatsächlich die vollen 100 MHz ab dem zweiten Halbjahr 2019 für lokale Industrie-Nutzungen zur Verfügung stehen dürften, und sich das Frequenzband nicht künstlich vergrößern lässt, scheint für regionale Nutzungen, wie etwa Städte und Gemeinden, vorerst kein 5G-Spektrum mehr übrig zu sein.

Es kommen künftig aber noch weitere 5G-Frequenz-Vergaben und damit weitere Chancen für weitere Anwender-Gruppen, etwa bei 26 GHz. Mehr zu den weiteren 5G-Frequenzen in unserer Story: WLAN oder 5G: So sehen es die Mobilfunker.

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