Im Jahr 2019 startete in Deutschland eine neue Ära der kabellosen Datenübertragung: Die Einführung von 5G – das Kürzel steht schlicht für „Mobilfunk der 5. Generation“, während die Vorgängerversionen noch mit eigenen Namen wie LTE („4G“) oder UMTS („3G“) bekannt wurden.
Die 5G-Technologie wurde speziell auf die Anforderungen von Industrie und Anwender in vertikalen Märkten, wie Logistik, Health Care oder Smart Cities, hin entwickelt. In Deutschland und einigen anderen Ländern trugen die Aufsichtsbehörden diesem Umstand Rechnung und gaben das verfügbare Spektrum – anders als bei vergangenen Technologie-Wechseln – nicht vollständig an die großen Mobilfunkbetreiber, sondern reservierten einen Teil für gewerbliche Anwender. So haben Unternehmen nun erstmals die Möglichkeit, unabhängig von den Telekommunikationsnetzbetreibern auf ihrem Betriebsgelände eigene, private Mobilfunknetze – sogenannte Campus-Netze – einzurichten.
Die Bundesnetzagentur (BNetzA) hat nach eigenen Angaben bis Mitte Februar 2023 knapp 300 Anträge auf Zuteilung von Frequenzen im Bereich 3.700 bis 3.800 MHz für lokale 5G-Netze bewilligt. Eine Lizenz ist auch für kleinere und mittlere Unternehmen erschwinglich. Die Kosten berechnen sich anhand der Faktoren Fläche, Bandbreite (maximal 100 MHz) und Laufzeit (maximal bis 2040). Für ein Firmengelände mit 20 ha Fläche fallen bei einer Nutzung der vollen 100-MHz-Bandbreite und einer Laufzeit von zehn Jahren einmalig 7.000 Euro an.
Basiskomponenten des 5G-Netzes
Zu den wesentlichen Elementen eines Mobilfunknetzes zählt das Radio Access Network (RAN). Dazu zählen zunächst die Radio Units (RU), bestehend aus Antennen, die Funksignale senden beziehungsweise empfangen, und den Remote Radio Units (RRU) zur Aufbereitung der Funksignale. Sie sind normalerweise mit einer Baseband Unit (BBU) verbunden, in der die Basisbandsignale verarbeitet werden. Bei 5G-Netzen sind die Funktionen der BBU aufgesplittet in Distributed Unit (DU) und Centralized Unit (CU), die jeweils eigene, offene Schnittstellen besitzen.
Desweiteren wird noch ein Core Network (kurz: Core) benötigt. Der Core ist für die Sicherheitsfunktionen und das Management der Mobilfunkteilnehmer zuständig. Außerdem stellt er die Verbindung zu anderen Netzwerken her.
Bislang dominieren bei Mobilfunknetzen geschlossene RAN-Architekturen. Sie basieren auf proprietärer Hard- und Software von Anbietern wie zum Beispiel Nokia, Ericsson oder Huawei. Das will die Open-RAN-Spezifikation der O-RAN Alliance ändern. Sie setzt auf die offenen Schnittstellen des 5G-Standards auf und will eine Interoperabilität ermöglichen, sodass beim Aufbau eines (lokalen) 5G-Netzes nicht zwingend auf die Komplettlösungen eines einzelnen Anbieters zurückgegriffen werden muss, sondern die RAN-Komponenten unterschiedlicher Hersteller miteinander kombiniert werden können. Ziel ist es, den Anwendern Zugriff auf die jeweils leistungsfähige Technik zu sichern, aber auch den Einsatz kostengünstiger Alternativangebote zu ermöglichen.
Zentrale Use Cases für 5G-Campusnetze
Nach Einschätzung von Axians kommen vor allem drei Einsatzfelder für 5G-Campus-Netze in Betracht. Das erste sind Anwendungen, die eine hohe Netzwerkbandbreite erfordern. Dazu zählt die drahtlose Übermittlung von Videoaufnahmen mit einer hohen Auflösung, etwa von Sicherheitskameras und Systemen, die für die Qualitätskontrolle in der Fertigung eingesetzt werden. Das zweite Feld sind Anwendungen, die eine besonders hohe Verfügbarkeit und niedrige Latenzzeiten benötigen. Beispiele sind Sicherheitssysteme und „Mission-Critical-Push-to-Talk“-Applikationen (MCPTT). Mittels MCPTT über 5G-Mobilfunknetze können beispielsweise Security-Mitarbeiter und Feuerwehrleute direkt Informationen austauschen, auch in Form von Gruppengesprächen. Solche Kommunikationskanäle müssen permanent und in hoher Qualität verfügbar sein.
Das dritte große Einsatzgebiet von lokalen 5G-Netzen sind Bereiche, in denen eine große Zahl von Endgeräten auf engem Raum vorhanden ist. Denken Sie beispielsweise an eine chemische Produktionsanlage, mit unzähligen Sensoren, Ventilen und Pumpen, die Messwerte und Zustandsinformationen senden oder Steuerbefehle entgegennehmen. 5G unterstützt bis zu einer Million Mobilfunkverbindungen pro Quadratkilometer, mehr als jede andere Funktechnologie.
Mobilität ist Trumpf
Ein Anwendungsfall, der viele Industrie-Unternehmen in Richtung 5G treibt, ist die Intralogistik mittels fahrerloser Transportfahrzeuge (Automated Guided Vehicles, AGV). Häufig sind bereits WLAN-Installationen vorhanden, sodass der Gedanke naheliegt, das vorhandene Know-how zu nutzen und das Funknetz auf diesen Use-Case auszuweiten.
In der Praxis zeigt sich allerdings eine Hürde, die oft nicht oder nur mit hohem Aufwand zu überspringen ist: der Wechsel des Fahrzeugs von einer Funkzelle zu einer anderen – was faktisch das Einbuchen in ein „anderes“ WLAN-Netz bedeutet. Kann dieser Vorgang nicht in der vorgegebenen Zeit abgeschlossen werden, wird das Fahrzeug aus Sicherheitsgründen gestoppt. Das bringt Abläufe durcheinander und wirkt sich negativ auf die Prozesseffizienz aus.
Dieses Problem tritt bei der Steuerung mittels 5G nicht auf. Hier lassen sich Gebäude und Außengelände mit einem durchgehenden Netz versorgen. Auch wenn die Abdeckung den Einsatz mehrerer Funkzellen mit jeweils eigenen Antennen erfordert, erfolgt der Wechsel von Zelle zu Zelle nahtlos. Die Kommunikation wird nicht unterbrochen, sodass eine zuverlässige Funktion gewährleistet ist. Voraussetzung ist lediglich, dass bei der Einrichtung des Netzwerks die Ausleuchtung von Hallen und Flächen sauber konzipiert wurde. Auch hier ist 5G aufgrund seiner robusten Eigenschaften gegenüber anderen Funktechnologien im Vorteil, da es weniger stark von Stahlträgern, Metallröhren, Containern und ähnlichen Störfaktoren beeinträchtigt wird.
Fazit
Grundsätzlich bietet die 5G-Technik drei wesentliche Vorteile gegenüber bisherigen Funktechnologien: eine hohe Bandbreite, kurze Latenzzeiten und eine große Zahl an verbundenen Geräten. Allerdings können nicht alle drei Faktoren zugleich voll ausgeschöpft werden. Häufig müssen nur zwei Anforderungen parallel erfüllt sein, beispielsweise niedrige Latenzzeiten, aber dennoch eine hohe Datenübertragungsrate oder aber eine hohe Verfügbarkeit in Verbindung mit einer großen Zahl von Endgeräten im Netzwerk. Dies ist aus Sicherheitsgründen beispielsweise für autonome Fahrzeuge und Industriedrohnen unverzichtbar.
Auf dieser Basis lassen sich Prozesse und Geschäftsmodelle digitalisieren und Effizienzpotenziale heben, beispielsweise durch flexiblere, optimierte Produktionslinien in einer Smart Factory. Andere Anwendungsfälle sind autonome Flurförderfahrzeuge und Services wie Predictive Maintenance sowie weitere Konzepte, die auf der schnellen, sicheren und zuverlässigen Übertragung großer Datenmengen an Edge-Server und Cloud-Rechenzentren beruhen. Zu nennen sind hier beispielsweise die wachsende Zahl an Anwendungen von Künstlicher Intelligenz zur Steuerung von Fertigungs- und Produktionsprozessen, die mehr Datenpunkte und höhere Erfassungsraten benötigen. Hier stoßen kabelbasierte Netze an ihre Grenzen.
