Private 5G-Netze auf dem Weg zum Erfolg

Drahtlose Netzwerke ermöglichen weltweit die Übertragung von Hochgeschwindigkeitsdaten. Dazu gehören kommerzielle Provider wie 3G-, 4G- und 5G-Dienste sowie überwiegend persönliche Netzwerke wie Bluetooth und WLAN. Die drahtlose Kommunikation hat sich so stark verbessert, dass das Streaming von Videos mit hohen Auflösungen zum Standard geworden ist und von Datenkonsumenten erwartet und gefordert wird. 

Vom persönlichen Gebrauch über die private Nutzung bis hin zur kommerziellen, staatlichen und sogar militärischen Nutzung verändern drahtlose Protokolle und Sende-/Empfangssysteme unsere Welt direkt vor unseren Augen. Bislang sind WLAN und Bluetooth für die breite Masse verfügbar, während der Mobilfunkdienst einigen wenigen großen Anbietern vorbehalten ist. Neuere Generationen von 5G-Geräten wie Handhelds, Switches, Router und Basisstationen verändern die Architektur von Mobilfunkmasten und ermöglichen die Einrichtung privater 5G-Netzwerke durch Einzelpersonen, Gruppen und Institutionen. Private 5G-Netzwerke sind auf dem Vormarsch.

Viele zivile und industrielle Bereiche befassen sich intensiv mit der Einrichtung eigener privater 5G-Netze. Industrielle und Fertigungsbetriebe haben ein verstärktes Interesse daran. Mit dem hohen Automatisierungsgrad in den Fabriken sind die Steuerungs- und Datenüberwachungsarchitekturen global geworden. Ein Maschinenhersteller kann weltweit in Echtzeit mit seinen Maschinen verbunden sein, um fortschrittliche Diagnosen und Leistungsüberwachungen durchzuführen und statistische Prozesskontrolldaten zu sammeln. 

Selbst Aspekte wie die Überwachung der operativen Abläufe können aus der Ferne erfolgen. Zur Optimierung von Produktionsanlagen kann die Echtzeit-Auftragsabwicklung mit den logistischen Abläufen in der Lieferkette und den Produktionsplänen verzahnt werden, was kontrollierte Abschaltungen für Wartung und Service ermöglicht. Da Abschalt- und Anfahrvorgänge wertvolle Zeit und Ressourcen verbrauchen können, bedeutet die Möglichkeit der bedarfsgerechten Planung und Terminierung weniger Abschaltungen und Stillstände. 

Private 5G-Netzwerke zeichnen sich durch hohe Geschwindigkeit und niedrige Latenzzeiten aus, was reaktionsschnellere Regelkreise ermöglicht. Eine Verzögerungszeit von 50 ms zwischen dem Auftreten eines Meißelbruchs und einem geordneten Abschaltbefehl könnte z. B. zu größeren Schäden an einer Fräsmaschine führen. WLAN und selbst 4G-Dienste können die versprochene Reaktionszeit von 1 ms für die Latenzzeit, die 5G bietet, nicht erreichen. Dadurch können Fabriken, die die Vorteile der drahtlosen Technologie bisher nicht nutzen konnten, dies nun tun. 

Ein weiterer Vorteil eines privaten 5G-Netzwerks ist die Möglichkeit, verschiedene Arten von Sicherheitsbedrohungen auszuschließen. Selbst wenn es Verbindungen gibt, die ein privates Netzwerk mit dem öffentlichen Internet verbinden, werden diese mit einem einzigen Zugangspunkt verwaltbar, wodurch Endpunkt- und Cyberangriffe, Ransomware und andere Bedrohungen verhindert werden, die leichter zu starten sind, wenn jeder Knoten in einem Netzwerk direkt und öffentlich zugänglich ist. Die Single-Access-Point-Architektur ermöglicht auch niedrigere Kosten, da die nachgeschalteten Geräte nicht für 5G-Abonnementdienste bezahlen müssen. 

Dies ist auch deshalb wichtig, weil spezielle KI- und Cloud-Dienste KI-Funktionen implementieren könnten, die anhand von erlerntem Verhalten vorhersagen können, wann beispielsweise ein Werkzeugkopf ausfallen wird, bevor dies geschieht. Da KI-Systeme die menschlichen Fähigkeiten bereits übertreffen, kann ein sicherer KI-Blick auf den Fertigungsprozess Aspekte der betrieblichen Standards aufzeigen, die verbessert werden sollten.
 

Von der Industrie herbeigesehnt

Viele zivile und industrielle Bereiche befassen sich intensiv mit der Einrichtung eigener privater 5G-Netze. Industrielle und Fertigungsbetriebe haben ein verstärktes Interesse daran. Mit dem hohen Automatisierungsgrad in den Fabriken sind die Steuerungs- und Datenüberwachungsarchitekturen global geworden. Ein Maschinenhersteller kann weltweit in Echtzeit mit seinen Maschinen verbunden sein, um fortschrittliche Diagnosen und Leistungsüberwachungen durchzuführen und statistische Prozesskontrolldaten zu sammeln. 

Selbst Aspekte wie die Überwachung der operativen Abläufe können aus der Ferne erfolgen. Zur Optimierung von Produktionsanlagen kann die Echtzeit-Auftragsabwicklung mit den logistischen Abläufen in der Lieferkette und den Produktionsplänen verzahnt werden, was kontrollierte Abschaltungen für Wartung und Service ermöglicht. Da Abschalt- und Anfahrvorgänge wertvolle Zeit und Ressourcen verbrauchen können, bedeutet die Möglichkeit der bedarfsgerechten Planung und Terminierung weniger Abschaltungen und Stillstände. 

Private 5G-Netzwerke zeichnen sich durch hohe Geschwindigkeit und niedrige Latenzzeiten aus, was reaktionsschnellere Regelkreise ermöglicht. Eine Verzögerungszeit von 50 ms zwischen dem Auftreten eines Meißelbruchs und einem geordneten Abschaltbefehl könnte z. B. zu größeren Schäden an einer Fräsmaschine führen. WLAN und selbst 4G-Dienste können die versprochene Reaktionszeit von 1 ms für die Latenzzeit, die 5G bietet, nicht erreichen. Dadurch können Fabriken, die die Vorteile der drahtlosen Technologie bisher nicht nutzen konnten, dies nun tun. 

Ein weiterer Vorteil eines privaten 5G-Netzwerks ist die Möglichkeit, verschiedene Arten von Sicherheitsbedrohungen auszuschließen. Selbst wenn es Verbindungen gibt, die ein privates Netzwerk mit dem öffentlichen Internet verbinden, werden diese mit einem einzigen Zugangspunkt verwaltbar, wodurch Endpunkt- und Cyberangriffe, Ransomware und andere Bedrohungen verhindert werden, die leichter zu starten sind, wenn jeder Knoten in einem Netzwerk direkt und öffentlich zugänglich ist. Die Single-Access-Point-Architektur ermöglicht auch niedrigere Kosten, da die nachgeschalteten Geräte nicht für 5G-Abonnementdienste bezahlen müssen. 

Dies ist auch deshalb wichtig, weil spezielle KI- und Cloud-Dienste KI-Funktionen implementieren könnten, die anhand von erlerntem Verhalten vorhersagen können, wann beispielsweise ein Werkzeugkopf ausfallen wird, bevor dies geschieht. Da KI-Systeme die menschlichen Fähigkeiten bereits übertreffen, kann ein sicherer KI-Blick auf den Fertigungsprozess Aspekte der betrieblichen Standards aufzeigen, die verbessert werden sollten.

Warum der Vorstoß zu privatem 5G?

Es gibt mehrere Gründe dafür, dass die 5G-Netze besser für die private Nutzung geeignet sind. Vor allem aber dringen 5G-Signale im Gegensatz zu 3G und 4G nicht durch. Das heißt, um ein Gebiet mit effektiven 5G-Signalen von ausreichender Integrität abzudecken, müssen mehr Mobilfunkmasten an mehr Orten aufgestellt werden, damit die Masten näher an den Teilnehmern stehen. Es ist ein teures Unterfangen, überall mehr Mobilfunkmasten zu installieren. 

Im Gegensatz zu 3G und 4G sind 5G-Router klein, leicht, stromsparend und erschwinglich. Das bedeutet, dass Privatwohnungen, Büroräume und abgelegene Standorte ihre eigenen 5G-Basisstationen installieren können, ähnlich wie ein privater Mobilfunkmast. Da die Glasfaserinfrastruktur so ausgebaut wurde, dass sie auch in ländlichen Gebieten zugänglich ist, kann eine einzige kostengünstige, lokalisierte 5G-Basisstation zu minimalen Kosten installiert und gewartet werden. Der Mobilfunkmast für 5G wird dadurch das, was der WLAN-Router in der Vergangenheit war. 

Ein weiterer Faktor, der die Einführung von kostengünstigen 5G-Basisstationen vorantreibt, ist das Aufkommen von 5G-Chipsätzen bei den Geräteherstellern. Hochintegrierte Prozessoren und Kommunikationselektronik können kleiner gebaut werden, wenn die Wellenlängen im Millimeterbereich liegen. Integrierte Antennen und PCB-Wellenleiter ermöglichen eine bessere Leistung bei geringeren Kosten, zumal Strahlführungs-Wellenleiter in 3D gedruckt werden können, anstatt in teuren und komplizierten Verfahren bearbeitet und hergestellt zu werden. Distributoren wie Mouser bieten bereits die 5G-Produktfamilie mit integrierten 5G-HF-Steckverbindern von Amphenol an, die in 5G-Leiterplatten, Kabelbaugruppen und 5G-Antennen-Arrays integriert werden können. 

Ein spannender Aspekt von 5G ist, dass es die Beam-Steering-Technologie nutzt, um die Übertragung zu richten. Dadurch wird die Leistungsdichte der HF-Wellen zu den Sichtlinienpunkten erhöht. Die elektronische Ausrichtung erfordert keine mechanischen Dreh- oder Neigungsverstellungen. Sie wird vollständig elektronisch abgewickelt. 

Ein weiterer Vorteil der leichter verfügbaren und kostengünstigeren 5G-Chipsätze besteht darin, dass sich IoT-Gerätehersteller direkt an ein 5G-Netzwerk anschließen können. In den meisten Fällen ist dies zwar übertrieben, da die meisten privaten IoT-Geräte einfach gestaltet sind, wie z. B. Thermostate, Lampen und Musiksteuerungen, aber das ist nicht bei allen der Fall. Alle Geräte, die eine hohe Geschwindigkeit und geringe Latenzzeiten benötigen, können nun in die IoT-Welt eintreten. 

Diese Architektur macht es für die Betreiber auch weniger kostspielig, 5G an allen Standorten zu implementieren, da jeder Standort wie ein eigener Mobilfunkmast funktionieren wird. Aggregiertes 5G oder Hochgeschwindigkeits-Glasfaser-Backbone-5G bedeuten eine flächendeckende Versorgung über große Gebiete, was besonders wichtig sein wird, wenn die Zahl selbstfahrender Fahrzeuge zunimmt, da die Sicherheit nunmehr von zentraler Bedeutung ist. (Abbildung 1)

 Abbildung 1: Da immer mehr selbstfahrende und automatisch parkende Fahrzeuge auf den Straßen unterwegs sind, müssen die Einrichtungen zuverlässige Hochgeschwindigkeitsverbindungen bereitstellen. In absehbarer Zeit wird Ihr Auto Sie abholen, absetzen und anschließend selbstständig parken. (Quelle: Sergey Nivens/stock.adobe.com)

Entscheidend für den Aufbau privater 5G-Netze ist die Sicherheit. Facility- und IT-Manager können ihre Sicherheitsschemata, Passwörter, Authentifizierungen und Berichte nach einem zufälligen Zeitplan einrichten, pflegen und ändern. Bauteile hinter der privaten 5G-Basisstation können nun mit höherer Sicherheit kommunizieren. Die Authentifizierung von Bauteil zu Bauteil hinter der Firewall wird einfacher, so dass die angeschlossenen Bauteile kostengünstiger, kleiner und schneller werden, da die Hin- und Her-Authentifizierungstechniken reduziert werden können. 

Nicht jedes 5G-fähige IoT-Bauteil benötigt hohe Datenraten und niedrige Latenzen, aber Kunden, die ihre eigenen, breiteren privaten 5G-Netze einrichten können, werden einen zusätzlichen Vorteil haben. Lokal gesteuerte 5G-Verbindungen werden eine verstärkte KI-Integration mit den Bauteilen um uns herum ermöglichen. In dem Maße, in dem KI-Systeme der Öffentlichkeit in größerem Umfang zur Verfügung stehen, werden Industrie und Produktionsstätten in der Lage sein, diese Technologie vor Ort zu nutzen, was wiederum die Anfälligkeit für Hackerangriffe und Ransomware verringert. 

Von Militär- und Strafverfolgungsmaschinen bis hin zu Drohnen – die hohe Bandbreite und die kurzen Reaktionszeiten, die mit 5G möglich sind, ermöglichen es Flotten oder Schwärmen von KI-gesteuerten Maschinen, die Menschen effizient zu unterstützen. 

Wo stehen wir aktuell?

Wer über einsatzbereite Geräte verfügt, hat die Möglichkeit, ein benutzerdefiniertes 5G-Netzwerk einzurichten. Man kann lizenzfreie Frequenzen wie General Authorization Access (GAA) der Citizens Broadband Radio Services (CBRS) nutzen. Dies wird die häufigste Form der privaten 5G-Bereitstellung sein, da sich die Endnutzer nicht um die Lizenzierung und die Bandanpassung kümmern müssen. Mit einem einfachen Set sind Sie wie ein WLAN-Router einsatzbereit. 

Großanlagen und industrielle Nutzer können sich für ein lizenziertes Spektrum von einer Gruppe entscheiden, die Priority Access Licenses (PALs) bei den FCC-Auktionen erworben hat. In der Regel verfügen die großen Akteure über die Ressourcen, um die Zuteilung von Frequenzen für ihre Nutzung zu erreichen. Wie die modernen Mobilfunkanbieter verkaufen diese Akteure den Zugang, in der Regel über einen monatlichen Abonnementpreis. 

Wenn Sie über ein größeres Budget und ein Team von Fachanwälten verfügen, können Sie sich bei den Frequenzauktionen der FCC bewerben und mitbieten und hoffen, dass Sie ein zugewiesenes Funkfrequenzspektrum erhalten. Sobald das Ihnen zugewiesene Funkfrequenzspektrum zur Verfügung steht, können Sie Ihre Geräte so einrichten, dass sie die Kanäle innerhalb dieses Funkfrequenzspektrums, das Verschlüsselungsschema und die Netzarchitekturen nach Ihren Bedürfnissen nutzen. Mehrere große Unternehmen nutzen diese Dienste bereits. Verizon, AT&T, Cisco und Amazon, um nur einige zu nennen, nutzen das Funkfrequenzspektrum und lizenzieren Dienste an Endkunden, die über eine entsprechende Expertise und Ausrüstung verfügen. Die großen Unternehmen sind zwar immer noch von Tarifen und Dienstleistungen abhängig, können aber mehr schlüsselfertige, Cloud- und KI-Lösungen anbieten und Sie mit technischem Know-how unterstützen. 

Zusammenfassung

Private 5G-Netze sind für Unternehmen jeder Größe eine Überlegung wert. Die hohen Datengeschwindigkeiten in Verbindung mit niedrigen Latenzzeiten lassen Raum für eine Ausweitung von IoT-Geräten und datenintensiven Diensten auf höherer Ebene. Wenn Sie nicht über ein eigenes Funkfrequenzspektrum verfügen, brauchen Sie Ihre 5G-Basisstation nur gemäß den Funkfrequenzen Ihres Netzbetreibers einzurichten. 

In den USA verwenden Anbieter wie Verizon, T-Mobile, Sprint und AT&T unterschiedliche Funkfrequenzbänder. Auch diese Funkfrequenzen variieren je nach Land und Region. So verwendet Japan beispielsweise 2,7 bis 28,28 GHz, China 24,25 bis 27,5 GHz, Schweden 26,5 bis 27,5 GHz und die EU 24,25 bis 27,5 GHz. 

Ihre Geräte müssen für den von Ihnen vorgesehenen Provider eingerichtet sein. Zusätzlich werden derzeit die unteren Frequenzbänder von 3,5 GHz bis 6 GHz genutzt, aber auch die höheren Frequenzen werden geöffnet (24 GHz bis 40 GHz). Wir befinden uns in der Anfangsphase der privaten 5G-Nutzung, so dass viele neue Produkte und Dienste ents