5G-Netze für die Smart Factory

Tests als Grundvoraussetzung für einen störungsfreien Einsatz von 5G in der intelligenten Fabrik

  • Meik Kottkamp. Bild: Rohde & SchwarzMeik Kottkamp. Bild: Rohde & Schwarz

5G-Netze sind wichtig für die Vernetzung und Digitalisierung von Produktionsumgebungen. Durch individuelle Anwendungsprofile können Unternehmen den Mobilfunkstandard in verschiedenen Bereichen einsetzen und so einen wichtigen Schritt hin zu einer agilen, anpassungsfähigen und automatisierten Fertigung gehen.

Die unter dem Begriff Industrie 4.0 zusammengefasste Digitalisierung, Modernisierung und Automatisierung produzierender Betriebe lässt sich im Kern auf einen simplen Vorgang reduzieren: Vernetzte Maschinen und Anlagen kommunizieren miteinander und erheben permanent Daten, deren Auswertung Vorteile im Hinblick auf Produktivität und Fertigungskosten bringt. Um diese Netzwerke möglichst individuell zu gestalten und zu betreiben, bietet sich eine drahtlose Vernetzung der Maschinen über Mobilfunk an. 5G als neuer Standard ist die Voraussetzung für die Nutzung moderner Lösungen wie Automatic Guided Vehicles (AGVs) oder abgesetzte HMIs. Die Betreiber können je nach Einsatzgebiet verschiedene Anwendungsprofile nutzen. Per enhanced Mobile Broadband (eMBB) lassen sich beispielsweise unterstützende VR-Lösungen einsetzen, die umfangreiche Informationen über einzelne Objekte und Systeme liefern und Montagevorgänge erleichtern. Ultra-Reliable and Low Latency Communications (uRLLC) eignet sich aufgrund der kurzen Latenzzeiten nicht nur für autonome Fahrzeuge, sondern auch für die Überwachung und Steuerung von Maschinen und Edge Devices in der Produktion. Für all diese Anwendungsszenarien ist eine zuverlässige und sichere Kommunikation Grundvoraussetzung. Ein Inhouse-Kommunikationsnetz, eventuell basierend auf einem störungsfreien privaten Spektrum, bietet in diesem Zusammenhang die notwendige Zuverlässigkeit. Damit die Implementierung eines solchen Netzes letztlich ein Erfolg wird, müssen sich Betreiber im Zuge der Planung mit einigen wichtigen Fragen auseinandersetzen und zahlreiche Test durchführen.

Ein Netz für jeden Zweck

Für die Planung eines privaten 5G-Netzwerks ist entscheidend, ob es sich um ein reines Indoor- oder ein Outdoor-Netz handelt. Bei Outdoor-Netzen steht die Versorgung eines spezifischen Gebietes im Mittelpunkt. Im Rahmen von Industrie 4.0 handelt es sich dabei zum Beispiel um ein größeres Firmengelände oder ein komplettes Industriegebiet.

Die Planung eines Outdoor-Netzes ist aufwendiger und kann eine Indoor-Versorgung von Gebäuden einschließen. Zudem muss die Koexistenz mit weiteren Kommunikationsnetzen in der Region geregelt werden.
Ein Indoor-Netz beschreibt die Versorgung durch eine Kommunikationstechnologie innerhalb eines Gebäudes oder eines Komplexes. Ein gutes Beispiel hierfür sind Produktionslinien, die aus mehreren Maschinen bestehen und ein Funknetz mit guter Abdeckung benötigen. Das wird heute schon teilweise über WLAN erreicht, mit LTE und 5G ergeben sich durch eine höhere Mobilität und kürzere Latenzzeiten sogar noch weitere Anwendungsfelder wie der Einsatz von AGVs.
Die Einrichtung eines lokalen Spektrums für Industrieanwendungen ist in manchen Ländern wie Großbritannien und Japan bereits Realität, viele andere ziehen dies in Erwägung. In Deutschland können Unternehmen sowie land- und forstwirtschaftliche Betriebe bei der Bundesnetzagentur seit November 2019 ein lokales und privates Spektrum im Bereich von 3,7 bis 3,8 GHz beantragen, das ihnen dann gegen eine Gebühr für die beantragte Dauer zugeteilt wird. Durch die Network-Slicing-Technologie ist die Nutzung dieses Frequenzbandes aber nicht zwingend notwendig, denn so können Unternehmen auch das Spektrum der öffentlichen Betreiber für lokale industrielle Anwendungen oder Campusnetzwerke nutzen.

Wo liegen die größten Hürden?

Die schwierigsten Herausforderungen bei der Realisierung eines 5G-Kommunikationsnetzes für Industrie 4.0-Anwendungsfälle 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. Für gewöhnlich soll 5G in eine bereits existierende Produktivumgebung eingefügt werden. Die Integration der Technologie in ein bestehendes drahtgebundenes (Ethernet) oder drahtloses (WLAN) Netzwerk ist dabei eine besondere Herausforderung, da die Schnittstellen zu den bestehenden Netzwerken individuell definiert werden müssen. Auch die Sicherstellung einer zuverlässigen Kommunikation ist entscheidend, wenn diese nicht mehr über Kabel, sondern drahtlos abläuft. 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 frühzeitiges Erkennen potenzieller Störungen/Interferenzen im HF-Spektrum und damit das Einleiten geeigneter Gegenmaßnahmen.
Welche Werte sind entscheidend?
Für alle Kommunikationsnetze gibt es einige grundsätzliche Leistungsmerkmale, auf die getestet werden muss. Konkret geht es dabei um Versorgung, Störungsfreiheit und generelle Leistungsfähigkeit. Eine ausreichende Versorgungssicherheit wird über die Messung der absoluten Leistungswerte ermittelt, zum Beispiel die Empfangsstärke von Broadcast-Signalen. Da das zu benutzende Spektrum komplett störungsfrei sein muss, ist auch die Überprüfung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) unabdingbar. Dies erfordert im Fall der Time-Division-Duplex-Netze (TDD) sogenannte 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. Mithilfe von Gated-Trigger-Messungen wird der Downlink im richtigen Zeitfenster maskiert, um die potenziell kleineren, aber signifikanten Störungen im Uplink sichtbar zu machen. Durch die Messung der erzielbaren Datenrate bei Datenverbindungen lässt sich zudem die Leistungsfähigkeit der Verbindung überprüfen. Neueste Lösungen kombinieren dabei Messungen des Paketverlustes und der Round-Trip-Verzögerung inklusive der Variation dieser Verzögerung in einem einzigen Test. Über eine ausreichend geringe Latenz geben zusätzlich One-Way-Latency-Messungen Aufschluss. So ist bei einer Maschinensteuerung entscheidend, welche absolute Verzögerung von einer Steuerungseinheit, die einen Befehl absetzt, bis zum ausführenden Prozess oder Maschinenteil gemessen wird. Es zählt dabei die absolut erzielte Latenz, bei der Werte von unter einer Millisekunde gefordert sein können. Zudem ist auch hier der Jitter, also die Varianz der erzielten mittleren Verzögerung, oft entscheidend.

Monitoring as a Service

Nicht zuletzt müssen die in der Kommunikation verbauten Endgeräte und auch Basisstationen auf die erforderliche Leistungsfähigkeit überprüft werden. Dies erfolgt in der Regel vor der eigentlichen Implementierung vor Ort in Form zahlreicher Test Cases mit Hilfe dedizierter Testgeräte in einer Laborumgebung. Im zellularen Umfeld stellt eine erfolgreiche Zertifizierungsumgebung die Leistungsfähigkeit der Endgeräte sicher. Das Credo ist hierbei: Test once and use everywhere.
Beim Einsatz drahtloser oder drahtgebundener Kommunikationstechnologie spielt zudem die ständige Überwachung der Kommunikationsnetze gegenüber Angriffen von außen eine große Rolle. Das kontinuierliche Funktionieren und die Sicherheit von Kommunikationslösungen sind nur möglich, wenn der Betreiber Probleme frühzeitig erkennt und unmittelbar entsprechende Gegenmaßnahmen einleitet. Ein kontinuierliches Monitoring ist deshalb unentbehrlich. Lösungen von Rohde & Schwarz ermöglichen neben der eigentlichen Messtechnik auch das Monitoring der Leistungsfähigkeit des Mobilfunknetzes im laufenden Betrieb. Mit R&S Prismon.cloud zeigt das Unternehmen, dass im Broadcast-Umfeld bereits heute Monitoring as a Service zur Verfügung steht.

Welche Testlösungen gibt es?

Das Portfolio an Lösungen von Rohde & Schwarz umfasst zahlreiche Tests für 5G, LTE, WLAN und andere Kommunikationstechniken. 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. Da Industrie 4.0-Anwendungen allerdings hohe Anforderungen an die Kommunikationstechnik stellen, wird auch die entsprechende Messtechnik für den Einsatz im Produktionsumfeld kontinuierlich weiterentwickelt. Neben dem verfügbaren QualiPoc-Interactvity-Test (Datendurchsatz, Round-Trip-Verzögerung) kann Mobile Network Testing von Rohde & Schwarz heute schon mit einem Prototyp eines QualiPoc-Endgeräts die One-way-Latency bestimmen. Über die Tochterunternehmen Ipoque und Lancom-Systems sind zudem verschiedene Lösungen aus dem Bereich Cyber Security verfügbar. Mit der Deep Packet Inspection (DPI) Engine R&S Pace 2 von Ipoque etwa lassen sich IP-Daten klassifizieren und Kommunikationsendpunkte analysieren. Integriert in eine Machine-Learning-basierte Analyse von Verkehrsströmen lässt sich DPI zur Detektion von Anomalien in Produktionsnetzen einsetzen. Zusammen mit den R&S Unified Firewalls von Lancom, die ebenfalls mit der Deep Packet Inspection Engine ausgestattet sind, lässt sich diese Lösung in ein Ende-zu-Ende-Sicherheitskonzept für Industrie 4.0 und Produktionsnetze allgemein integrieren.

Fazit

Umfangreiche Tests sind eine Grundvoraussetzung für einen erfolgreichen und störungsfreien Einsatz von 5G in der Smart Factory. Die Tatsache, dass eine dedizierte Testgruppe in der 5G-Acia existiert, zeigt die Bedeutung der Messtechnik für Industrie 4.0. Die hohen Anforderungen an die Kommunikationstechnologie in Bezug auf Zuverlässigkeit, Latenz und Sicherheit erfordern die Entwicklung effektiver und effizienter Testmetriken. Es bedarf einer organisierten Vorgehensweise, die sämtliche relevanten Faktoren wie potenzielle Störquellen, Basisstationen, konkret vernetze Endgeräte und die Zugriffssicherheit von außen berücksichtigt. Auf dieser Basis steht einer Nutzung privater, dedizierter 5G-Netze mit sämtlichen Vorteilen für den industriellen Einsatz zumindest von technologischer Seite her nichts mehr im Wege.

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