Die Untersuchungen wurden auf dem ‚5G-Industry Campus Europe‘ in Aachen durchgeführt. Der 5G-Industry Campus Europe ist Europas größtes 5G-Forschungsnetz und um-spannt insgesamt vier Werkshallen und 1 km2 offene Fläche, auf denen industrielle Anwendungsfälle untersucht werden. Die Werkshallen des WZL, des Fraunhofer IPT und des FIR an der RWTH Aachen sind mit ihrer maschinellen Ausstattung und ihren Prozessen mit industriellen Produktionsumgebungen vergleichbar. Der für den 5G-Test genutzte Versuchsaufbau besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten:

• der 5G-Kommunikationsinfrastruktur, 
• einer S7-SPS und einem IO-Gerät (beide Siemens), auf welchen eine Profisafe-Anwendung mit funktionaler Sicherheit läuft 
• und einem 5G-Device, IPCs sowie zwei Dataeagle-Geräte von Schildknecht, welche das Profinet Protokoll von der SPS an das IO-Gerät über das 5G-Netz tunneln.

Die Datenfunksysteme

Die Dataeagle-Geräte von Schildknecht sind Datenfunksysteme, welche die SPS und das IO-Modul drahtlos verbinden, dabei eine Wireless Profinet-Kommunikation zwischen diesen beiden Geräten ermöglichen und zugleich die Schicht-2-Profinet-Frames in Schicht-3-IP-Pakete umwandeln. Die Datenfunksysteme führen neben einer Überwachung eine Vorverarbeitung der Profinet-Feldbus-Telegramme durch, um die Feldbus-Kommunikation aufrechtzuerhalten, unabhängig davon, welche Verbindung zwischen den beiden Knoten angewendet wird, um die Anforderungen der Steuerungstechnik zu erfüllen (beispielsweise Anforderungen an die Übertragungszeit, Anzahl der erneuten Übertragungen). Darüber hinaus halten sie den Zustand des Profinet-Protokolls mittels Vorverarbeitungs-Algorithmen stabil, um harte kabelbasierte Timing-Anforderungen der Steuerung einzuhalten. Ohne eine solche Prozedur können Feldbus-Fehler auftreten, die zu Maschinen-Stillstandzeiten von Minuten führen, wenn ein Datenpaket sein Ziel außerhalb des Profinet/Profisafe-Zeitfensters erreicht.

Die 5G-Infrastruktur

Als Kommunikationsinfrastruktur für das 5G-Testbed wurde der 5G-Industry Campus Network Europe von Ericsson in Aachen genutzt. Die Infrastrukturen an jedem Standort dieses Netzwerks enthalten alle Knotenpunkte, die für den Aufbau eines voll leistungsfähigen 5G-Netzwerks nach dem neuesten Stand der Technik erforderlich sind. Dieses 5G-Campus Netzwerk basiert auf dem B40-Band (2,3 GHz) als Ankerband und nutzt das NR-Band N78 (3,7 GHz) mit einer Bandbreite von 100 MHz für die Datenübertragung. Die aktuelle 5G-Infrastruktur basiert auf dem Release 15 der 3GPP-5G-Spezifikation. Außerdem ist die Infrastruktur mit einem 5G-RAN- und Core-Netzwerk ausgestattet, das momentan jedoch nicht für die Latenz-optimierte Kommunikation (URLLC) optimiert ist.

Bild 2. Das Testbed des zweiten Szenarios mit einem 5G-Device (UE) und einer zentralen SPS (UE), die ebenfalls über 5G verbunden wird (UE to UE).

© Schildknecht

Auf der mobilen Seite des Testaufbaus ist ein Qualcomm X55 Chipset-basiertes 5G-Device im Einsatz, um die drahtlose Netzwerk-Verbindung herzustellen. Die IPCs verfügen über die Funktionalität, das Layer-2-Tunneling zu übernehmen, da es nicht direkt auf dem UE (User Equipment) möglich ist. Außerdem unterstützt die 5G-Technologie nur IP-Konnektivität (Layer 3). Das User Equipment stellt die 5G-Konnektivität zur Basisstation her. Im Testbed übernimmt die Funktion ein 5G-Device.

Die beiden Testbeds ‚UE to Local Breakout‘ und ‚UE to UE‘ sollen zwei reale Fälle in einer Produktionsumgebung nachbilden und sind in den Bildern 1 und 2 dargestellt: Die Messdaten können direkt aus dem Dataeagle-Datenfunksystem (links im Bild) über dessen Wartungs- und Konfigurationsschnittstelle ausgelesen werden; dabei dient die Diagnosefunktion zur Bestimmung der Latenz der Kommunikationsverbindung.

Die Anforderungen für die Testfälle

Für eine bestmögliche Sicherheitskommunikation im Zusammenspiel mit Profinet muss ein 5G-System folgende Anforderungen erfüllen: Die Profinet-Aktualisiersierungszeit der SPS ist auf 1 ms einzustellen, womit jede Millisekunde ein Profinet-Paket generiert und an das IO-Modul übertragen wird.

Im 5G-System ist das Standard-TDD-Muster (Time Division Duplex) mit Dynamic Scheduling zu verwenden; auf eine Optimierung im 5G Radio Access Network wie etwa Pre-Sheduling wird bewusst verzichtet.