5G-Campusnetze: Produktionsmittel der Zukunft
Bild 1: Funkspektrum – Nutzer und Dienste (Bild: LS telcom AG)
Im industriellen Umfeld wird 5G spätestens nach Beendigung der Corona-Krise eine wichtige Rolle spielen als Enabler und Beschleuniger der Digitalisierung und Transformation zur vollvernetzten Industrie 4.0. In Deutschland wurde hierfür in einer Vorreiterrolle die Möglichkeit geschaffen, 5G-Lizenzen für lokale Campusnetze zu beantragen. Dabei wird immer deutlicher, dass die Ressource Spektrum künftig als besonders wertvolle Infrastruktur gelten wird.
Autoren: Roland Götz und Fabian Ludwig
Hochwertige, sichere und zuverlässige Netzverbindungen werden immer wichtiger. Nicht zuletzt getrieben durch die Digitalisierung unserer Gesellschaft und Industrie, aber auch durch die Trends Internet of Things (IoT), Industrie 4.0 und Maschine-zu-Maschine-Kommunikation sind hochwertige, sichere und zuverlässige Netzverbindungen ein Muss. Vor allem schnelle, sichere Datenfunknetze gewinnen dabei nahezu explosionsartig an Bedeutung – und all diese basieren auf der begrenzten physikalischen Ressource des Funkspektrums. Das heißt vor allem:
- Nur wem ein Spektrum zu Verfügung steht, kann bzw. darf funken.
- Nur mit ausreichendem Spektrum können die benötigten Datenraten bereitgestellt werden.
- Nur in einem sauberem Spektrum kann sicher und zuverlässig gefunkt werden.
In der globalen digitalen Gesellschaft bildet ein Funkspektrum genau aus diesen Gründen eine wertvolle Ressource, ein vergleichbar wichtiger Faktor wie sauberes Wasser, lückenlos verfügbarer Strom oder Produktionsfläche.
5G in den Startlöchern
In Deutschland wurde im Sommer 2019 bereits nationales 5G-Frequenzspektrum an die bekannten Mobilfunk-Betreiber Deutsche Telekom, Telefónica und Vodafone sowie den Neueinsteiger 1&1 Drillisch versteigert. Bereits am 21. November begann auch das Antragsverfahren für lokale Campusnetze. Erste 5G-Signale sind in der Luft, und erste 5G-fähige Handys können bereits bestellt werden. Die Weichen sind also gestellt, und einem Ausbau der 5G-Netze steht kaum noch etwas im Wege. 5G bietet dabei – insbesondere für die Industrie – interessante neue technische Möglichkeiten und Anwendungsprofile.
Aber das eigentlich Besondere bei diesem Generationswechsel stellt die Tatsache dar, dass die Bundesnetzagentur diesmal neben den klassischen Lizenzen für die landesweiten Mobilfunk-Betreiber (3,4 bis 3,7 GHz) 100-MHz-Bandbreite (3,7 bis 3,8 GHz) exklusiv für lokale, sog. Campusnetze reserviert hat. Für viele Industrieunternehmen bietet sich damit erstmals die Möglichkeit, ihr eigenes, individuelles und auf ihre Anwendungen und Belange maßgeschneidertes Netz zu realisieren und dadurch unabhängig von den Betreibern zu werden.
Was genau ist eine lokale 5G-Lizenz?
Zum Hintergrund: Bei der Lizenzierung von Frequenzen unterscheidet man im Wesentlichen drei Lizenztypen: Die Allgemeinzuteilung wie man sie z.B. von DECT, Bluetooth oder WLAN kennt. Dabei wird ein Teil des Spektrums ohne gesondertes Antragsverfahren zugänglich gemacht. Es werden lediglich Regeln und technische Grenzen für die Geräte vorgegeben. Damit kann jeder seinen Sender betreiben, hat jedoch weder Exklusivität noch Schutz auf die von ihm genutzte Frequenz.
Bei der Standortlizenz hingegen bewilligt die Regierungsbehörde jede einzelne Funkanlage. Beispiele hierfür sind etwa Rundfunksender. Beim dritten Typ, der Blocklizenz, bewilligt die Bundesnetzagentur einen Frequenzblock in einem definierten Gebiet, z.B. im Mobilfunk einen Frequenzblock für einen Betreiber exklusiv für ganz Deutschland. Die Vergabe kann dabei per Auktion, per Beauty Contest oder gemäß Antragsverfahren erfolgen. Bei den hier diskutierten lokalen 5G-Lizenzen handelt es sich um Blocklizenzen. Sie entsprechen also einem exklusiven Frequenzband, begrenzt auf das Ausmaß der eigenen Grundstücke. Die Vergabe erfolgt gemäß Antragsverfahren.
Zwei Alternativen für künftige 5G-Nutzer
Dadurch bieten sich für Industrieunternehmen, die künftig 5G beispielsweise zur Steuerung und Überwachung ihrer Produktionsanlagen nutzen wollen, erstmals zwei Alternativen. Es gibt nach wie vor die Möglichkeit, sich einem Netz-Betreiber als Service Provider anzuschließen: Der Unternehmer kauft sich die entsprechenden SIM-Karten und mietet sich dadurch – wie bisher – in dessen Netz ein. Der Netz-Betreiber stellt dieses sowie die vereinbarten Services bereit, betreibt diese und kümmert sich um alles. Als neue Alternative kann das Unternehmen nun aber auch seine eigene lokale 5G Campuslizenz erwerben und mit der Zuteilung der Lizenz sein individuelles 5G-Netz realisieren. Dadurch wird es auf der einen Seite unabhängig von den klassischen Netz-Betreibern, benötigt jedoch auf der anderen Seite entsprechendes Kapital und Fachwissen.
Warum ein eigenes Campus-Netz?
Aber warum sollte ein Unternehmen den auf den ersten Blick beschwerlicheren Weg des eigenen Netzes gehen? Sich mit Fragen der Konzeption, Planung, Beschaffung, Aufbau und Betrieb plagen? Als Antworten drängen sich mehrere gute Gründe auf, eine eigene 5G-Campuslizenz zu beantragen:
- Exklusives Frequenzband mit voller Netzkapazität
Nach erfolgreicher Beantragung erhält man ein lizenziertes Frequenzband mit exklusiven Frequenzen und somit alleinigen Zugriff auf die volle Netzkapazität im zugewiesenen Frequenzblock. Das Unternehmen muss diese Frequenzen nicht mit anderen Nutzern teilen, die individuelle Nutzung und die volle Kapazität des Spektrums sind garantiert.
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Individuelles Netzdesign gemäß eigenen Anforderungen
Der Lizenzinhaber kann sich sein Netz exakt so konzipieren wie für seine Anwendungsfälle erforderlich. Etwa in Bezug auf die Versorgung, welche man realisiert wie benötigt – auch im dritten Kelleruntergeschoss, in explosionsgeschützten Anlagen oder an der so häufig zitierten letzten Milchkanne. Aus den individuellen Anforderungen können eigene Qualitätsparameter und Redundanzkonzepte abgeleitet und realisiert werden, um die benötigte Verfügbarkeit effizient sicherstellen zu können.
- Datenhoheit und Sicherheit
Firmendaten bleiben im eigenen Netz und der Eigentümer der Lizenzinhaber behält die Hoheit über seine sensiblen Firmen- und Produktionsdaten. Es sind maßgeschneiderte Konzepte zur IT-Sicherheit möglich, um die Gefahr von Cyber-Angriffen zu minimieren.
- Minimierung von Ausfallzeiten
Netzausfallzeiten und daraus resultierende Stillstandzeiten können durch geeignete Vorkehrungen auf ein Minimum begrenzt werden. Bei kritischen Anwendungen sind diese Maßnahmen in der Regel aufwändiger als bei herkömmlichen Anwendungen. Kleinere Netze mit weniger Netzelementen lassen sich meist einfacher überwachen und schneller wieder störungsfrei in Betrieb nehmen.
Es gibt also zahlreiche gute Argumente, weshalb Campuslizenzen für lokale Nutzer wie Industrieunternehmen einen hohen Stellenwert einnehmen.
Herausforderungen für den Campusnetz-Betreiber
Angenommen, nach entsprechender Abwägung hat sich ein Unternehmen entschlossen Frequenzen zu beantragen und hat diese auch zugeteilt bekommen. Spätestens dann gibt es zahlreiche neue Aufgaben, die als Campusnetz-Betreiber gemeistert werden müssen. Da der Betreiber die Netznutzung nicht schlüsselfertig anbietet, muss man sich selbst um den Aufbau und Betrieb kümmern. Dies fängt bereits bei der Konzeption und Planung des Netzes und der betriebssicheren Funkversorgung an, geht über die Beschaffung, Aufbau und Inbetriebnahme der Systemtechnik bis hin zum eigentlichen Netzbetrieb mit Instandhaltung und Überwachung. (Bild 2)
Da dies in der Regel weder Kernkompetenz noch Kerngeschäft des Lizenzinhaber ist, kann dafür externe Hilfe einbezogen werden – sprich die gesamte Leistung oder Teile davon „outgesourct“ werden. Letztendlich muss der Lizenzinhaber im eigenen Interesse sicherstellen, dass seine Frequenzen optimal genutzt, verwaltet und geschützt werden. Nicht zuletzt um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten und die Produktionssicherheit zu maximieren.
Bild 2: Wer sich für den Aufbau eines eigenen 5G-Campusnetzes entscheidet, muss sich um den Aufbau und Betrieb selbst kümmern (Bild: LS telcom AG; Konzeption – istockphoto.com skynesher, Realisierung – istockphoto.com shotbydave,Überwachung & Optimierung – istockphoto.com FARBAI)
Wie erreicht man eine betriebssichere Funkkommunikation?
Im industriellen Bereich hat man es in der Regel mit kritischen Anwendungen innerhalb der Netze zu tun, wie man sie auch im BOS-Umfeld kennt, wobei Netzausfälle oder Nichtverfügbarkeit fatale Folgen haben können. Hauptaufgabe und Herausforderung ist die Sicherstellung einer störungsfreien und nicht manipulierbaren Funkumgebung bei gleichzeitiger Bereitstellung ausreichender Kapazitäten für alle erforderlichen Netze, Dienste und Anwendungen. Jedoch darf man sich bei der Betrachtung nicht auf das neue 5G-Funknetz beschränken, denn dieses wird sich in eine bereits existierende Funkumgebung bestehend aus WiFi, RFID, Tetra, LoRa uvm. eingliedern müssen. Letztendlich müssen sowohl das neue 5G-Netz als auch alle anderen bereits vorhandenen Netze und Applikationen parallel unbeeinträchtigt voneinander funktionieren. Stillstandzeiten sind inakzeptabel und unsichere Funkverbindungen müssen erkannt und als Störer beseitigt werden. In erster Linie sind drei Maßnahmen zu empfehlen, um eine betriebssichere Funkkommunikation zu gewährleisten:
Konzeption und Planung
Zuerst ist eine gewissenhafte und professionelle Konzeption und Planung erforderlich. Dabei spielt neben der technisch robusten Planung gerade in der Privatwirtschaft auch die Kosteneffizienz eine wichtige Rolle. Dies ist in der anspruchsvollen industriellen Umgebung, mit komplexer baulicher Beschaffenheit, ein nicht zu unterschätzender Aspekt. Es wird nur selten die klassische Lösung – ein Funkmast mit Antennenanlage – ausreichen, sondern es werden verteilte Antennensysteme und Access-Points in Produktionsanlagen zum Einsatz kommen, beispielsweise zwischen Pipelines, in Tunneln, eben überall wo eine stabile Versorgung benötigt wird.
Dabei werden unterschiedlichste Use Cases zu betrachten sein. Deren Konzeption und Modellierung bestimmen die wesentlichen Netzparameter und zeigen auf, „welches“ 5G-Netz benötigt wird: Hat eine hohe Datenrate, höchste Verfügbarkeit, kürzeste Latenz oder ein geringer Energieverbrauch Priorität? Wichtiger denn je: Konzeption und Planung müssen Hand in Hand gehen. Nur ein gut konzeptioniertes, geplantes und in sich funktionierendes System kann eine betriebssichere Funkkommunikation sicherstellen.
Funk-Inventur
Als zweite Maßnahme gilt die Durchführung einer Funk-Inventur (siehe Bild 3). Sowohl das Medium Funk als auch dessen Nutzung sind für das menschliche Auge nicht sichtbar. Um zu wissen, was auf dem eigenen Betriebsgelände „on air“ ist, ist eine Funk-Inventur notwendig – vergleichbar mit der Inventur in einem Lager. Die Funk-Inventur zeigt den Ist-Bestand und analysiert die aktuelle Spektrum-Nutzung.
Hierzu bietet sich entsprechende Messsensorik an, die über einen gewissen Zeitraum kontinuierlich Messungen durchführt und für eine anschließende Analyse aufzeichnet. Dies geschieht meist im Wochen- oder Monatszyklus, um wiederkehrende Muster zu erkennen. So wird ersichtlich, was auf dem Gelände funkkommunikativ tatsächlich geschieht. Entsprechende Aktionen bei Auffälligkeiten oder akuten Störungen können daraus abgeleitet werden, um ein „sauberes“ Spektrum vor dem Aufbau einer neuen 5G-Infrastruktur gewährleisten zu können. Störungen können dabei viele Facetten haben: Bewusst oder unbewusst, legal oder illegal, permanent oder temporär, regelmäßig oder zufällig, gefährlich oder unbedenklich.
Frequenznutzungsdatenbank
Eine Funkinventur ist zugleich die Basis der dritten Vorkehrung: Die Einführung einer Frequenznutzungsdatenbank mit Koexistenzanalyse. Dieses Datenbanksystem ist die zentrale Stelle, in der alle funkrelevanten Daten und Informationen zusammengeführt und verwaltet werden. Wo sind Sender und Funksensoren angebracht und verbaut? Auf welcher Frequenz und mit welcher Leistung senden diese? Wer ist deren Verantwortlicher und Betreiber? Sind diese legal? Diese Datenbasis erlaubt in einem zweiten Schritt die Durchführung von Stör- und Koexistenzanalysen. Neue Systeme können dadurch vor Inbetriebnahme simuliert und auf ungewollte Wechselwirkungen mit bestehenden Funksystemen getestet werden, um damit vorausschauend Störungen vorbeugen zu können. Damit kann sichergestellt werden, dass alle Systeme nebeneinander funktionieren und es beim weiteren Ausbau nicht zu Störungen oder gar Ausfällen kommt.
Bild 3: Um zu wissen, was auf dem eigenen Betriebsgelände „on air“ ist, ist eine Funk-Inventur notwendig – vergleichbar mit der Inventur in einem Lager. (Bild: LS telcom AG, istockphoto.com WangAnQi)
Wie kann man sein Campusnetz nachhaltig schützen?
Nachdem 5G-Lizenzen erfolgreich beantragt wurden, ein eigenes Funknetz geplant und aufgebaut wurde und der Anwender mit den ersten geschäftskritischen Anwendungen in Betrieb gegangen ist, stellt sich die Frage, wie die Funkinfrastruktur nachhaltig geschützt werden kann. Was kann getan werden, wenn im exklusiven Frequenzband plötzlich unbekannte Nutzer oder Störungen auftreten, sei es durch illegale Nutzung, mutwillige Cyberattacken, defekte oder nicht zugelassene Geräte? Diese vielleicht sogar derart massiv sind, dass sie zu einem Systemausfall führen?
In den meisten Fällen wird man sich einen Produktionsausfall, bis der Funkmessdienst der Regulierungsbörde sich der Sache annehmen kann, nicht leisten wollen und können. Was kann ein Unternehmen daher proaktiv tun, um das Auftreten von Störungen und Ausfallzeiten möglichst gänzlich zu vermeiden oder zumindest frühzeitig zu erkennen, sodass Schäden weitestgehend vermieden werden können bzw. im Extremfall die Störung schnellstmöglich erkannt, lokalisiert und behoben werden kann? Dafür sind zwei Werkzeuge für den vorbeugenden Funkschutz zu empfehlen:
Proaktives Spektrum-Management
Zur Einführung von vorausschauendem Spektrum-Management auf dem Werksgelände gehört die Erstellung von internen Compliance-Regeln, die beispielsweise festgelegen, welche Funkanlagen unter welchen Bedingungen auf dem Firmengelände zugelassen werden und welche Anforderungen diese Geräte erfüllen müssen. Aber auch die Definition dienstspezifischer Zulassungsprozesse sowie deren Einführung und Überwachung sind zu veranlassen.
Letztlich empfiehlt sich die Nutzung einer Spektrum-Datenbank zur Verwaltung der Senderanlagen, Funklizenzen, Zulassungsprozesse und Frequenznutzung. Durch präventives Spektrum-Management wird die Datenbasis aktuell gehalten, der Nutzer behält Kontrolle über alle Funkangelegenheiten und schützt sich vor bösen Überraschungen.
Permanentes Spektrum-Monitoring
Eine entsprechende Anzahl von Messsensoren, die auf dem Betriebsgelände verteilt sind, überwachen die relevanten Frequenzbereiche kontinuierlich. In Kombination mit einer geeigneten Steuerungs- und Analysesoftware wird so die Frequenznutzung in den relevanten Frequenzbändern kontrolliert und bei Anomalien umgehend alarmiert. Dies ist vergleichbar mit einer Rauchmeldeanlage, die schnell warnend informiert und dadurch großem Schaden zuvorkommt. Da die normale Nutzung und Frequenzbelegung bekannt ist, kann das System Anomalien frühzeitig erkennen und diesen bereits vor maßgeblichen Störungen oder Ausfallzeiten entgegenwirken (Bilder 4 und 5). Solche Programme lassen sich somit – wie Rauchmelder – als Frühwarnsystem einsetzen. Falls es doch zum Störfall kommt, hilft das System bei der Erkennung, Identifikation und Lokalisierung des Störers und trägt damit maßgeblich dazu bei, dass der Störfall schnell behoben werden kann.
Bild 4: Die Erkennung illegaler Frequenznutzung oder die Lokalisierung von Störungen ist nur durch eine detaillierte Bestandsaufnahme in Kombination mit regelmäßigen Messungen vor Ort möglich. (Bild: LS telcom AG)
Bild 5: Automatische Anomalieerkennung – live (Bild: LS telcom AG)
Resümee
Getrieben durch die Digitalisierung und Industrie 4.0 gewinnen zuverlässige, hochverfügbare und sichere Funknetze enorm an Bedeutung. In Deutschland gibt es neben den 5G Frequenzen für den nationalen Mobilfunk die Möglichkeit, Breitband für lokale Campusnetze zu beantragen. Dadurch können Unternehmen und Organisationen eigene 5G-Netze aufbauen und betreiben. Um eine optimale, effiziente Nutzung der Frequenzen sicherzustellen, muss das eigene 5G-Netz von Beginn an professionell konzeptioniert und geplant werden. Maßnahmen wie die Einführung einer Frequenznutzungsdatenbank, die Durchführung einer Funk-Inventur und Koexistenzanalysen sind empfehlenswert, um eine betriebssichere Funkkommunikation gewährleisten zu können. Vorausschauendes Spektrum-Management und permanentes Spektrum-Monitoring als Frühwarnsystem sind die geeigneten Versicherungen für den vorbeugenden Funkschutz.
Zu den Autoren:
Roland Götz ist Chief Operation Officer (COO) und Mitglied des Vorstands der LS telcom AG.
Fabian Ludwig ist Business Development und Sales Manager der LS telcom AG.
