Derzeit bauen Mobilfunknetzbetreiber weltweit ihre Netze für 5G aus. Der neue Mobilfunkstandard bringt nicht nur höhere Datenraten für Smartphone-Besitzer, sondern bietet auch Spezifikationen für spezielle Anwendungen im Internet der Dinge, für das autonome Fahren sowie für den Smart-Factory-Bereich.  Diese Techniken eignen sich auch für lokale private Funknetze, etwa für das Fertigungsnetz von Unternehmen. 

Der Nutzen von privaten 5G-Netzen

In modernen produzierenden Betrieben fallen schon heute hohe Daten-mengen an, deren Auswertung im Zuge der Digi­talisierung immer wichtiger wird. Vor allem die Notwendigkeit, die Produktionslinie flexibel zu gestalten und jederzeit neu konfigurieren zu können, erfordert eine zuverlässige drahtlose Kommunika­tion. Besonders vorteilhaft ist das zum Beispiel, wenn dort Automatic Guided Vehicles (AGV) im Einsatz sind. Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere Appli­kationen wie abgesetzte Human Machine Interfaces (HMI) oder automatisierte ­Software Updates von beweglichen, beispielsweise rotierenden Maschinen. Für all diese Anwendungen ist eine zuver­lässige und sichere Kommunikation Grundvoraussetzung. Ein Inhouse-Kommunikationsnetz, gegebenenfalls basierend auf einem störungsfreien privaten Spektrum, bietet hier die notwendige Zuverlässigkeit.  

Spektrum für private Netze

Einige Länder wie UK und Japan haben bereits ein lokales Spektrum für Industrieanwendungen vergeben, viele andere ziehen dies in Erwägung. In Deutschland können seit dem 21. November 2019 Unternehmen sowie land- und forstwirtschaftliche Betriebe bei der Bundesnetzagentur ein lokales Spektrum im Bereich von 3,7 bis 3,8 GHz beantragen. Gegen eine Gebühr wird ihnen dann für die beantragte Dauer ein privates Spektrum zugeteilt. Die Nutzung dieses Frequenzbandes ist aber nicht zwingend notwendig. Die öffentlichen Betreiber bieten mit Hilfe der sogenannten Network-Slicing-Technologie auch ihr Spektrum zur Nutzung für lokale industrielle Anwendungen oder Campusnetzwerke an. Damit stehen in Deutschland sowohl die Frequenzbänder der öffentlichen Betreiber als auch das private Spektrum von 3,7 bis 3,8 GHz zur Verfügung.

Die Netzvarianten

Für die Planung eines privaten 5G-Netzwerkes ist es entscheidend, ob es sich um ein reines Indoor-Netz oder um ein Outdoor-Netz handelt. Unter einem Indoor-Netz versteht man die Versorgung durch eine Kommunikations-technologie innerhalb eines Gebäudes oder Gebäudekomplexes. Besteht der Anspruch einer guten Abdeckung mit Funksignalen, zum Beispiel zur Steuerung von Maschinen einer Produktionslinie, so bietet sich eine dedizierte Indoor-Implementierung eines Kommunikationsnetzes an. Dies lässt sich heute schon teilweise über WLAN-Verbindungen erreichen. Kommunikationsnetze wie LTE oder 5G können in gleicher Weise eingesetzt werden und eignen sich vor allem für Anwendungen, bei denen Mobilität und kurze Latenzzeiten im Mittelpunkt stehen. Beides sind wichtige Kriterien für den Einsatz von AGVs oder Maschinensteuerungen.
Outdoor-Netze umfassen dagegen die Versorgung eines spezifischen Gebietes. Im Fall von Industrie 4.0 kann dies ein größeres Firmengelände, ein Industriegebiet oder sogar ein ganzer Stadtbezirk sein. Die Planung eines Outdoor-Netzes ist aufwendiger und kann die Indoor-Versorgung von Gebäuden mit einschließen. Zudem muss die Koexistenz mit weiteren Kommunikationsnetzen in der Region betrachtet werden. 

Die wichtigsten Parameter

Die Unified Firewalls der Rohde & Schwarz Tochter Lancom Systems verfügen über eine Deep Packet Inspection Engine und weitere Mecha­nismen zum Schutz vor ­komplexen Cyberangriffen und Schadsoftware.

© Lancom Systems

Für alle Kommunikationsnetze sind zunächst die grundsätzlichen Leistungsparameter ausschlaggebend. So muss eine ausreichende Versorgung sichergestellt werden. Dazu müssen die absoluten Leistungswerte gemessen werden, etwa die Empfangsstärke von Broadcast-Signalen. Wichtig ist auch, dass das Signal-zu-Interferenz/­Rauschen-Verhältnis (SINR) geprüft wird. Grundsätzlich muss verifiziert sein, dass das zu benutzende Spektrum frei von Störungen ist.

Dies erfordert im Fall der TDD-Netze Gated-Trigger-Messungen. TDD-Netze trennen den Downlink, also die Übertragung von der Basisstation zum Endgerät, und den Uplink, also die Übertragung vom Endgerät zur Basisstation im Zeitbereich. Mit Hilfe von Gated-Trigger-Messungen wird der Downlink im richtigen Zeitfenster maskiert, um die potenziell kleineren, aber signifikanten Störungen im Uplink sichtbar zu machen. Daneben ist die Leistungsfähigkeit der Verbindung zu überprüfen, was im Fall von Datenverbindungen durch die Messung der erzielbaren Datenrate erfolgt. Im Industrie-4.0-Umfeld ist die Latenz (Verzögerung) ein wichtiger Parameter, der über One-Way-Latency-Messungen ermittelt wird. Demnach ist bei einer Maschinensteuerung die Messung der absoluten Verzögerung von einer Steuerungseinheit, die einen Befehl absetzt, bis zum ausführenden Prozess oder Maschinenteil entscheidend. Hierbei ist die absolut erzielte Latenz wichtig, bei der Werte von unter einer Millisekunde gefordert sein können. Zudem ist der Jitter, also die Varianz der erzielten mittleren Verzögerung, oft entscheidend.

Gerätetests vor der Implementierung

Nicht zuletzt müssen die in der Kommunikation verbauten Endgeräte und auch Basisstationen hinsichtlich der notwendigen Leistungsfähigkeit überprüft werden. Dies erfolgt in der Regel vor der Implementierung im Feld. In einer Laborumgebung sind eine Reihe geeigneter Test Cases mit Hilfe dedizierter Testgeräte durchzuführen. Im zellularen Umfeld stellt eine erfolgreiche Zertifizierungsumgebung – betrieben und organisiert beispielsweise durch das Global Certification Forum – die Leistungsfähigkeit der Endgeräte sicher. Das Credo ist hierbei: Test once and use everywhere. Rohde & Schwarz befürwortet die Etablierung solcher Zertifizierungsmechanismen im Besonderen für Anwendungen aus dem Bereich Industrie 4.0. 

Mobile Network Testing

Unabhängig von der verwendeten drahtlosen oder drahtgebundenen Kommunikationstechnologie kommt der ständigen Überwachung der Kommunikationsnetze gegenüber Angriffen von außen eine große Bedeutung zu. Das kontinuierliche Funktionieren und die Sicherheit von Kommunikationslösungen können nur sichergestellt werden, indem Probleme frühzeitig erkannt und somit Gegenmaßnahmen unmittelbar ergriffen werden können. Hierzu bieten sich entsprechende Monitoring-Lösungen an.

5G-ACIA

Um die 5G-Technology für Industrieanwendungen voranzutreiben, wurde neben diversen Forschungsprojekten bereits im April 2018 die 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA) gegründet. Dieses Gremium bringt die OT-Player (Operational Technology) mit den ICT-Playern (Information and Communication Technology) zusammen, also den potenziellen Anwender der 5G-Technologie für industrielle Anwendungen mit den Unternehmen, welche die 5G-Kommunikationstechnik zur Verfügung stellen. Das Ziel ist, die Belange der Anwendungsfälle im Bereich Industrie 4.0 bestmöglich in die Weiterentwicklung der 5G-Technologie einfließen zu lassen. Rohde & Schwarz ist seit dem Herbst 2018 in der 5G-ACIA aktiv und engagiert sich vor allem in der Arbeitsgruppe ‚Validation and Tests‘. Die Tatsache, dass eine dedizierte Testgruppe in der 5G-ACIA existiert, zeigt die Bedeutung der Messtechnik für die Industrie 4.0. Die hohen Anforderungen an die Kommunikationstechnologie in Bezug auf Zuverlässigkeit, Latenz und Sicherheit erfordern die Entwicklung effektiver und effizienter Testmetriken. 

Größte Herausforderungen

Der QualiPoc Handheld-Troubleshooter von Rohde & Schwarz Mobile Network Testing misst die Service-Qualität von Mobilfunknetzen künftig bis 5G. One-Way-Latency-Messungen sind bereits in der Prototypenphase.

© Rohde & Schwarz Mobile Network Testing

Die größten Herausforderungen bei der Realisierung eines 5G-Kommunikations-netzes für Industrie-4.0-Anwendungs-fälle bestehen nach der Auswahl der individuell wichtigsten Anwendungsfälle (AGV, Maschinensteuerung oder Logistik) in einer guten Versorgungsplanung für die spezifische Umgebung und der sorgfältigen Implementierung der Infrastrukturkomponenten. 
Im Allgemeinen soll die 5G-Technologie in eine bereits existierende Produktivumgebung eingefügt werden. Damit stellt die 5G-Integration in ein bestehendes drahtgebundenes (Ethernet) oder drahtloses (WLAN) Netzwerk eine besondere Herausforderung dar. Die Schnittstellen in die bestehenden Netzwerke sind dabei individuell zu definieren.

Nicht zuletzt muss bei der Umstellung von einer drahtgebundenen auf eine drahtlose Kommunikationstechnik die Zuverlässigkeit der Kommunikation sichergestellt sein. Hierfür ist der Einsatz effizienter Mess- und Monitoring-Lösungen nicht nur beim Aufbau, sondern auch im laufenden Betrieb des Netzes unerlässlich. Geeignete Monitoring-Lösungen erlauben ein frühzeitiges Erkennen potenzieller Störungen/Interferenzen im HF-Spektrum und damit das Einleiten geeigneter Gegenmaßnahmen. 

Verfügbare Testlösungen

Rohde & Schwarz hat die notwendigen Testlösungen für 5G, aber auch für LTE, WLAN und andere Kommunikationstechniken schon heute im Einsatz. Mobile 
Network-Testing-Lösungen umfassen beispielsweise die präzise Messung von Versorgungsparametern wie Leistung und Signal-zu-Störabstände sowie die Messung von Verbindungsparametern wie Datenraten basierend auf einem 5G-Endgerät. Industrie-4.0-Anwendungen stellen allerdings hohe Anforderungen an die Kommunikationstechnik, insbesondere in puncto Latenz, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Das Unternehmen entwickelt daher seine Messtechnik bezogen auf diesen Use Case kontinuierlich weiter. Der Bereich Mobile Network Testing beispielsweise kann heute schon mit einem Prototyp eines QualiPoc-Endgeräts die One-way Latency bestimmen. Die Tochterunternehmen Ipoque und Lancom Systems bieten verschiedene Lösungen aus dem Bereich Cybersecurity an. Mit der Deep Packet Inspection Engine R&S PACE 2 von Ipoque etwa lassen sich IP-Daten klassifizieren und Kommunikationsendpunkte analysieren. 

Meik Kottkamp ist Technology Manager bei Rohde & Schwarz in München.

© Rohde & Schwarz

Diese Technologie setzt Rohde & Schwarz bereits in eigenen Fabriken ein, um die Kommunikation zu überwachen. Lancom Systems hat seine R&S Unified Firewalls ebenfalls mit dieser Engine ausgestattet, um Kommunikationsnetze gegen Angriffe von außen zu schützen. Das Unternehmen hat mit R&S PRISMON.cloud eine ‚Monitoring as a Service‘-Lösung im Programm, die für professionelle Mediadienste entwickelt wurde. Für Mobilfunkbetreiber bietet das Unternehmen nicht nur die notwendige Messtechnik, sondern auch Dienstleistungen inklusive der Bestimmung der Leistungsfähigkeit eines Mobilfunknetzes an. Diese Lösung steht außerdem für den Aufbau und den Betrieb lokaler LTE- und 5G-Netze im Industrie-4.0-Umfeld zur Verfügung.