Die Digitalisierung der Produktion ist für Unternehmen unverzichtbar, um die Effizienz zu steigern und wettbewerbsfähig zu bleiben. Eine entscheidende Rolle spielt dabei die Netzwerkinfrastruktur, denn sie schafft die Voraussetzung für den schnellen, reibungslosen Datenaustausch. Die 5G-Technologie mit Datenübertragungsraten von bis zu 10 GBit pro Sekunde und einer Latenz von weniger als einer Millisekunde eröffnet gerade im anspruchsvollen industriellen Umfeld viele Möglichkeiten.

Bereits seit 2019 können Unternehmen unabhängig von einem Netzbetreiber eine 5G-Funklizenz erwerben und ihr eigenes, lokal begrenztes 5G-Campusnetz aufbauen. Mittlerweile hat die Bundesnetzagentur circa 390 solcher Anträge bewilligt und entsprechende Frequenzen zugeteilt. Rund 100 davon sind allein im vergangenen Jahr hinzugekommen. Diese Entwicklung zeigt: 5G-Campusnetze sind in der Praxis angekommen und nehmen langsam Fahrt auf. Waren es in den ersten Jahren vorwiegend Forschungseinrichtungen und große Unternehmen, die die neue Technologie in ihre Umgebungen integrierten, zieht jetzt der gehobene Mittelstand nach.

Ein 5G-Campusnetz ist ein privates, von öffentlichen Netzen abgeschottetes Funknetz auf dem Werksgelände, das eine eigene Funkfrequenz nutzt. Nur autorisierte Anwender und Systeme haben Zugang. Dadurch können Unternehmen hohe Security-Anforderungen umsetzen und dafür sorgen, dass immer ausreichend Kapazitäten für ihre Industrieanwendungen zur Verfügung stehen.

In den öffentlichen 5G-Netzen der Mobilfunkanbieter ist das dagegen nicht möglich. Hier besteht immer die Gefahr, dass Daten abfließen oder die Performance in Peak-Zeiten einbricht. Unternehmen haben jedoch hohe Anforderungen an die Sicherheit und Verfügbarkeit ihrer Netze. Gerade im industriellen Umfeld können sie sich keine Kompromisse leisten. Nicht nur werden sensible Daten übertragen – viele Smart-Factory-Anwendungen sind extrem latenzsensibel, sodass schon eine geringe Verzögerung verheerende Auswirkungen haben kann.

Die 5G-Technologie kommt immer dann zum Tragen, wenn eine oder mehrere der folgenden Anforderungen bestehen: ein sehr großes Gelände, eine komplexe Umgebung, eine hohe Bandbreite, geringe Latenz oder Teilnehmer beziehungsweise Fahrzeuge, die sich auf dem Gelände bewegen. 5G hat zum Beispiel kein Problem damit, wenn in einem Gebäude große Mengen an Stahlbeton verbaut sind. WLAN kommt dagegen nicht durch solche Wände und kann auch nicht mit dadurch entstehenden Reflektionen der Signale umgehen. Um ein riesiges Werksgelände mit 5G abzudecken, reichen oft wenige Antennen aus, während ein WLAN Dutzende benötigt.

Auch bei beweglichen Objekten ist 5G überlegen. Wenn eine Maschine zum Beispiel durch die Werkshalle fährt, ermöglicht die Mobilfunktechnik durchgängig eine Datenübertragung mit minimaler Latenz und optimalem Übergang zwischen den Zellen, ohne dass es zu Unterbrechungen kommt. Daher setzt die Deutsche Bahn 5G in Zukunft auch in ICEs ein, die mit 300 Kilometern pro Stunde von Funkzelle zu Funkzelle fahren. In einem WLAN-Netz kommt es dagegen zu einer kurzen Verzögerung, wenn ein Teilnehmer von einer Funkzelle zur nächsten wechselt.

Ein 5G-Netz aufzubauen und zu betreiben ist komplexer und auf den ersten Blick kostenintensiver als eine WLAN-Infrastruktur. Unternehmen sollten daher immer prüfen, welche Technologie im Einzelfall am besten geeignet ist. Zur Versorgung eines Bürogebäudes reicht meist WLAN aus. Viele Unternehmen behalten dort auch ihre WLAN-Infrastruktur bei und führen auf dem Werksgelände zusätzlich ein privates 5G-Netz für kritische oder anspruchsvolle Anwendungen ein. Beide Funkstandards lassen sich problemlos parallel betreiben und nutzen.

Für einfache IoT-Anwendungen, die nur sehr geringe Datenraten erfordern und nicht latenzkritisch sind, bietet sich zudem LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) als preiswerte Alternative an. Diese Funktechnologie wurde speziell für die Langstrecken-Kommunikation entwickelt und ist sehr störungsresistent. Sie verfügt über eine sehr hohe Reichweite von zwei bis hin zu 20 Kilometern und erlaubt somit auch das Senden von Signalen aus weiter Entfernung. Zum Beispiel, um einmal am Tag den Messwert eines Sensors zu übertragen – etwa den Füllstand eines Behälters.

Im ersten Schritt sind zahlreiche Aspekte zu klären:

- Was möchte das Unternehmen genau erreichen?

- Soll einfach nur die Verfügbarkeit des Netzes verbessert und der Keller versorgt werden oder sind bestimmte Use Cases umzusetzen?

- Was soll vernetzt werden – Systeme oder Fahrzeuge?

- Wie sieht die Umgebung aus?

- Wie gut muss die Abdeckung effektiv sein und wie latenzkritisch ist dabei der Anwendungsfall?

Aus den Rahmenbedingungen und Anforderungen ergibt sich die konkrete Netzplanung. Dafür benötigt der Dienstleister einen genauen Gebäude- oder Geländeplan, der später auch mit dem Frequenzantrag eingereicht werden muss. In den meisten Fällen ist zusätzlich ein Vor-Ort-Termin erforderlich, bei dem die Spezialisten gemeinsam mit dem Unternehmen prüfen, wie sich die Wünsche und Ziele am besten umsetzen lassen. Dazu gehört auch eine Analyse der bestehenden Netzwerkinfrastruktur. In welchen Bereichen kann zum Beispiel das WLAN beibehalten werden und wo braucht es 5G? Der Dienstleister ermittelt mit einer Spezialsoftware, wie viele Antennen nötig sind, wo diese positioniert und wie sie ausgerichtet werden sollten.

Bei der Wahl des Partners sollten Firmen darauf achten, dass dieser sowohl über IT- als auch OT-Expertise verfügt. Denn um ein 5G-Campusnetz im industriellen Umfeld zu planen und aufzubauen, muss man beide Welten kennen und verstehen. Axians arbeitet bei solchen Projekten zum Beispiel eng mit den Schwestermarken Actemium (Industrietechnik) und Omexom (Energie-Infrastrukturen) zusammen, sodass Industrieunternehmen von einem fachübergreifenden Expertenteam profitieren.

Je nach Anwendungsfall ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an Bandbreite, Netzabdeckung und Latenz. Um zum Beispiel Fahrzeuge zu vernetzen, sind überlappende Funkzellen erforderlich, um einen nahtlosen Übergang von Zelle zu Zelle zu ermöglichen. Handelt es sich um ein ferngesteuertes Vehikel, das nur kleine Datenmengen überträgt, ist zwar eine hohe Netzabdeckung, aber keine große Bandbreite nötig. Fährt das Fahrzeug dagegen autonom oder übermittelt kontinuierlich hochauflösende Kamerabilder, fordert dies eine hohe Bandbreite. Womöglich müssen mehr Antennen eingefügt werden, um die erforderliche Datenrate zu erzielen. In puncto Latenz gilt: Je größer der Abstand zur Antenne ist, desto länger dauert die Datenübertragung. Für zeitkritische Anwendungen müssen die Antennen also dichter beieinanderstehen. Auch wenn das Fahrzeug lokalisiert werden soll, müssen mehr Antennen ausgebracht werden, um jederzeit ein Dreieck für die Ortung zu bilden.

Bei der Planung ihres 5G-Campusnetzes sollten Unternehmen auch an die Absicherung denken. Um die Ausfallsicherheit zu erhöhen, ist es empfehlenswert, das Netz redundant auszulegen und kritische Komponenten doppelt zu verbauen. Falls dann einmal ein System Probleme hat, springt das andere ein.

Außerdem sind Maßnahmen zur Sicherheit unverzichtbar. Zu den wichtigsten Vorkehrungen zählt die Netzwerksegmentierung: Unternehmen sollten nicht nur ihre OT- und IT-Netze voneinander trennen, sondern auch innerhalb des OT-Netzes Cluster bilden und an den Übergängen Kontrollen einfügen. Das schränkt die Bewegungsfreiheit von potenziellen Eindringlingen ein und verhindert, dass bei einem Cyberangriff gleich das ganze Netzwerk betroffen ist.

Außerdem empfiehlt es sich, die Kommunikation zwischen den Systemen in einem Zero-Trust-Ansatz auf das Nötigste zu beschränken. Dafür muss der IT-Verantwortliche analysieren, welche Systeme sich überhaupt im Netzwerk befinden und mit wem sie kommunizieren. Anschließend erlaubt oder verbietet das IT-Team Verbindungen. Vielleicht muss zum Beispiel die Lackiererei mit der IT, aber nicht mit den Pressen in der Produktion Daten austauschen.

Auch nach dem initialen Aufbau des 5G-Campusnetzes gibt es noch einiges zu tun. Denn um einen sicheren, stabilen Betrieb zu gewährleisten, müssen Unternehmen die Infrastruktur kontinuierlich monitoren, auf dem neuesten Stand halten und Probleme schnell lösen. Das erfordert Know-how und bindet Ressourcen. Viele Mittelständler lagern den Netzbetrieb daher an einen Managed Service Provider aus. Vorteilhaft ist ein Partner, der alle Phasen des 5G-Campusnetz-Projekts abdecken kann – von der Planung über den Aufbau bis zum Betrieb. Dieser übernimmt auch die Wartung und kümmert sich um die Weiterentwicklung, wenn neue Anforderungen hinzukommen.

Außerdem unterstützt er bei Alltagsprozessen wie der Einbindung von neuen Maschinen ins Netzwerk. Besonders interessant ist ein Network-as-a-Service-Modell: Unternehmen müssen dann keine eigene Hardware mehr kaufen, sondern beziehen ihr 5G-Campusnetz als Service gegen eine monatliche Gebühr – ähnlich wie in der Cloud.

Im Folgenden stellen wir eine Reihe von Beispielen aus der Praxis vor, in denen 5G-Netze zum Einsatz kommen. Den Anfang machen nicht vernetzte Maschinen, sondern "Connected Worker": Viele Unternehmen haben bereits ihre Produktionsanlagen vernetzt. Die Maschinen kommunizieren mit dem Leitsystem oder sogar untereinander. Aber gerade die Kommunikation zwischen Mitarbeiter und Anlagen ist oft noch herausfordernd. Ein 5G-Campusnetz kann dies ändern: Die Funktechnologie schafft selbst auf einem großen Werksgelände und in Stahlbeton-Umgebungen eine durchgängige Netzabdeckung mit hoher Bandbreite und minimaler Latenz. So haben Personen an ihrem Tablet oder Smartphone jederzeit Zugriff auf wichtige Informationen, ganz gleich, wo auf dem Gelände sie sich befinden. Sie erhalten digitale Unterstützung bei komplexen Tätigkeiten und können schneller bessere Entscheidungen treffen. Das optimiert Prozesse, steigert die Effizienz und erhöht die Sicherheit.

Als zweites Beispiel lassen sich Inspektionen großer Anlagen in Industrie und Logistik effizient mit robusten, autonomen Robotern umsetzen. Mithilfe von Sensoren und Kameras übernehmen diese dann wiederkehrende Aufgaben und prüfen beispielsweise, ob Beschädigungen vorliegen oder lesen automatisiert Systeme und Zähler aus. Dadurch verbessert sich neben der Sicherheit auch die Effizienz im Tagesgeschäft. Auf Basis eines leistungsfähigen 5G-Campusnetzes kann der Roboter seine Daten ohne Verzögerung an andere Systeme oder die Leitstelle übermitteln.

Als letzten Ansatz ermöglichen Sensoren und Aktoren im IoT und bei der Predic-tive Maintenance komplexe Szenarien und helfen Unternehmen dabei, den Zustand und die Abläufe von Maschinen und Prozessen zu beobachten, zu steuern und zu analysieren. Die Kommunikation der Systeme untereinander und mit zentralen Systemen wie Enterprise-Dashboards setzt eine zuverlässige und leistungsfähige Kommunikationsinfrastruktur voraus, die sich mittels 5G-Campusnetzen bereitstellen lässt. Insbesondere in Anwendungen wie Predictive Maintenance können diese Technologien dabei helfen, Ausfallzeiten zu minimieren, Wartungsarbeiten zu koordinieren und die Effizienz zu optimieren.

Sowohl im Unternehmenskontext als auch im öffentlichen Raum schaffen 5G-Funknetze die Voraussetzung für Innovationen. Mit jedem neuen Release entwickelt sich die Technologie weiter. Künftig soll zum Beispiel eine exaktere Ortung bis auf zehn Zentimeter Genauigkeit möglich sein – derzeit liegt die Genauigkeit noch im Meterbereich. Schon heute lohnt sich 5G auch für mittelständische Unternehmen. IT-Verantwortliche sollten die Chancen ausloten und mit einem spezialisierten Dienstleister Kontakt aufnehmen. Im Network-as-a-Service-Modell gelingt der Einstieg in die 5G-Welt mit geringem Eigenaufwand zu überschaubaren Kosten.