Leitfaden 5G-Campusnetze - Orientierungshilfe für kleine und mittelständische Unternehmen - Bundesministerium für Wirtschaft und ...
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Leitfaden 5G-Campusnetze –
Orientierungshilfe für kleine und
mittelständische Unternehmen
Konzepte, Begriffe, Betreibermodelle und Auswahlkriterien
für Produktion und Logistik mit Übertragbarkeit auf weitere
Domänen wie Medizin-Campus/Krankenhäuser, Häfen,
Bergbau, Baustellen und Landwirtschaft
Impressum
Herausgeber
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Öffentlichkeitsarbeit
11019 Berlin
www.bmwi.de
Stand
April 2020
Gestaltung
PRpetuum GmbH, 80801 München
Bildnachweis
Burunduk's / Shutterstock / S. 13
Cirebon Jeh / S. 36
cnythzl / Getty Images / Titel, S. 4, S. 13
Derplan13 / Shutterstock / S. 20
one line man / Shutterstock / Titel, S. 4, S. 7, S. 20, S. 36
Tiverets / Shutterstock / S. 7
Diese und weitere Broschüren erhalten Sie bei:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Referat Öffentlichkeitsarbeit
E-Mail: publikationen@bundesregierung.de
www.bmwi.de
Zentraler Bestellservice:
Telefon: 030 182722721
Bestellfax: 030 18102722721
Diese Publikation wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und
Energie im Rahmen der Öffentlichkeitsarbeit herausgegeben. Die Publi-
kation wird kostenlos abgegeben und ist nicht zum Verkauf bestimmt.
Sie darf weder von Parteien noch von Wahlwerbern oder Wahlhelfern
während eines Wahlkampfes zum Zwecke der Wahlwerbung verwendet
werden. Dies gilt für Bundestags-, Landtags- und Kommunalwahlen
sowie für Wahlen zum Europäischen Parlament.
bmwi.deImpressum Herausgeber Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) Öffentlichkeitsarbeit 11019 Berlin www.bmwi.de Stand April 2020 Gestaltung PRpetuum GmbH, 80801 München Bildnachweis Burunduk's / Shutterstock / S. 13 Cirebon Jeh / Shutterstock / S. 36 cnythzl / Getty Images / Titel, S. 4, S. 13 Derplan13 / Shutterstock / S. 20 one line man / Shutterstock / Titel, S. 4, S. 7, S. 20, S. 36 Tiverets / Shutterstock / S. 7 Diese und weitere Broschüren erhalten Sie bei: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie Referat Öffentlichkeitsarbeit E-Mail: publikationen@bundesregierung.de www.bmwi.de Zentraler Bestellservice: Telefon: 030 182722721 Bestellfax: 030 18102722721 Diese Publikation wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen der Öffentlichkeitsarbeit herausgegeben. Die Publi- kation wird kostenlos abgegeben und ist nicht zum Verkauf bestimmt. Sie darf weder von Parteien noch von Wahlwerbern oder Wahlhelfern während eines Wahlkampfes zum Zwecke der Wahlwerbung verwendet werden. Dies gilt für Bundestags-, Landtags- und Kommunalwahlen sowie für Wahlen zum Europäischen Parlament.
Mit dem Technologieprogramm PAiCE (Platforms | for Factories) auf, das sich mit der Entwicklung einer
Additive Manufacturing | Imaging | Communication | Referenzarchitektur für industrielle Kommunika-
Engineering) unterstützt das Bundesministerium für tion einschließlich 5G mit dem Fokus auf IT-Sicher-
Wirtschaft und Energie (BMWi) innerhalb der Digita- heit, Zuverlässigkeit, Echtzeitfähigkeit und Resilienz
len Agenda der Bundesregierung die Umsetzung der von industriellen Kommunikationsinfrastrukturen
Leitvision „Industrie 4.0“ in die unternehmerische befasst. Der Leitfaden zeigt Anwendungsgebiete
Praxis. In 16 Projekten arbeiten Unternehmen und und beschreibt Eigenschaften und Einsatzmöglich-
Forschungseinrichtungen daran, den Einsatz innova- keiten von 5G-Campusnetzen. Er bietet damit eine
tiver digitaler Technologien in Produktion und Logis- Orientierungshilfe für Entscheider und Realisierer
tik in großen, praxisnahen Pilotprojekten zu erpro- von Kommunikationsinfrastrukturen in kleinen und
ben. Die über hundert Partner in den Projekten wer- mittelständischen Unternehmen im produzierenden
den vom BMWi mit insgesamt 50 Mio. Euro gefördert. Gewerbe und auch in der Logistik. Die dargestellte
Zusammen mit den Eigenanteilen der Projektpartner Herangehensweise für den Aufbau und Betrieb von
hat PAiCE ein Volumen von über 100 Mio. Euro. 5G-Campusnetzen ist auf weitere Geschäftsfelder wie
Medizin-Campus/Krankenhäuser, Häfen, Bergbau,
Dieser Leitfaden baut auf den Ergebnissen des PAiCE- Baustellen, mobile Campusnetze und Landwirtschaft
Leuchtturmprojektes IC4F (Industrial Communication übertragbar.Inhalt
1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Einführung und Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 5G-Campusnetze – ein technologischer Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Lokales Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Aktuelle Marktentwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Neue Anwendungsszenarien durch 5G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1 Anwendungen in der Produktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
3.2 Anwendungen in der Intralogistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Anwendungen in der Logistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3.1 Transport an Häfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3.2 Bahn und LKW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4 Anwendungen in der Smart City . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.5 Anwendungen bei der elektrischen Energieversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.6 Anwendungen im Bergbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.7 Anwendungen in der Medizin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.8 Mobile Campusnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.8.1 Anwendungen in der Landwirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.8.2 Baustelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.8.3 Mobile Fabrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.9 Übersicht der Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 5G-Campusnetze – Topologien und Betreibermodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1 Architektur von 5G-Campusnetzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 Betreibermodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.1 Separates 5G-Campusnetz (Eigenbetrieb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.2 Virtueller „Slice“ im öffentlichen Netz der Mobilfunkanbieter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2.3 „Network Slice“ im öffentlichen Netz der Mobilfunkanbieter
mit separater User Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2.4 Weitere „hybride“ Mischformen und Variationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2.5 Abwägung und Gegenüberstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .284.3 Aufbau und Betrieb von 5G-Campusnetzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3.1 Anwendungsidentifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3.2 Machbarkeitsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3.3 Rechtliche Voraussetzungen (Lizenzerwerb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3.4 Vertragliche Voraussetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3.5 Netzplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3.6 Netz-Installation und Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3.7 Integration in die Firmen-IT-Infrastruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3.8 Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3.9 Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5 Ausblick und weitere Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.1 Internationale 3GPP-Standardisierung und Regulierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2 Ausblick auf 3GPP-Releases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.3 Künftige 5G-Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.1 Abkürzungen und wichtige 5G-Fachbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
6.2 Referenzen und weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3 Links zu Projekten, Organisationen, Initiativen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.4 Autoren und Ansprechpartner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 1 Zusammenfassung
Z U S A M M E N FA S S U N G 5
Unter dem Begriff „5G-Campusnetz“ wird ein geo- dynamischere Produktion. Somit bereitet die Mobil-
grafisch begrenztes, lokales, für besondere Anforde- funkkommunikation neue Wege, durch die gewonnene
rungen wie industrielle Kommunikation angepasstes Flexibilität eine höhere Produktivität zu erreichen.
Mobilfunknetz verstanden. Dank der 5G-Technologie
und der Verwendung dedizierter Frequenzen kann Die Industrie führt derzeit eine rege Diskussion über
es die höchsten Anforderungen an die Dienstqualität die technischen Rahmenbedingungen von möglichen
hinsichtlich Latenz, Zuverlässigkeit und Verfügbar- Betreibermodellen und den damit verbundenen
keit der Kommunikationsnetze erfüllen. Dies macht Mehrwert von 5G-Campusnetzen in der industriellen
5G-Campusnetze für Anwendungen in verschiedenen Wertschöpfung. Zwar werden die zugrunde liegen-
Industriebereichen attraktiv. Deshalb gelten sie als den Technologien in der Branche zunehmend besser
wichtiger Wegbereiter für die Fabrik der Zukunft und verstanden, doch ihre Vielfalt und Bandbreite verur-
sind derzeit Gegenstand zahlreicher Medienberichte. sachen viele Fragen zu den geeigneten Anwendungs-
möglichkeiten und Erfolgsfaktoren, und somit zu den
Die Fabrik der Zukunft, die sogenannte „Smart Fac- relevanten Auswahlkriterien.
tory“, ist auf eine technologisch deutlich anspruchs-
vollere Kommunikationsinfrastruktur angewiesen. Dabei steht 5G nicht nur für eine innovative Funk-
Die Abbildung 1 zeigt Lösungsbausteine, um Maschi- technologie, die ein erweitertes Frequenzspektrum
nen, Prozesse, Roboter, Produkte, Werkzeuge und bereitstellt. Gerade in Kombination mit neuen Tech-
Menschen zuverlässig miteinander zu vernetzen. Im nologien wie dem Internet der Dinge (IoT), der be-
Gegensatz zu kabelgebundenen Vernetzungen er- darfsgerechten und automatisierten Verteilung von
möglichen mobile Funklösungen eine flexiblere und IT-Ressourcen (Mobile Edge Cloud) und mit Künst-
Abbildung 1: B
eispiel für Lösungsbausteine eines 5G-Campusnetzes, das im Projekt IC4F
betrachtet wird
Öffentliches
4G/5G-Netz
Zertifikate-Service für
Funkzugang: industrielle Kommunikation
lokale oder private
4G/5G-Zugangspunkte
Öffentliche
Frequenz: nichtlizensiert Cloud
oder unterlizenziert
Integrierte hochgenaue
Innenraum-Positionierung
(HAIP – High Accuracy Indoor
Positioning)
Private
Edge-Cloud Enterprise-
Cloud Hybrid-Cloud mit Multi-Operator
öffentlichem Anteil Environment
Ende-zu-Ende (E2E)
Industrielle Netzschicht
Lokales oder privates 4G/5G- (Slice)
Mobilfunksystem als Dienste- Dienstgüte (QoS) via
Plattform für Anwendungen öffentliche Infrastruktur
(IoT, MBB, URLLC)
Neuer IoT-
Authentifikations- Automation Gateway OT
Mechanismus (Operational Technology)
Schnittstelle zu lokalen Echtzeit-Fernüberwachung
Applikationen und Betrieb
(ERP/MES/PLM/CIM/CAx)
Quelle: IC4F-Konsortium6 Z U S A M M E N FA S S U N G
licher Intelligenz (KI) stellen 5G-Campusnetze neue immer mehr Produkte 5G-fähig sein und es werden
Technologien und Dienste bereit, die in den heutigen entsprechende Module zur Nachrüstung von Maschi-
WiFi- und verkabelten Netzen noch nicht realisierbar nen auf dem Markt erwartet. Die folgenden Kapitel
sind. 5G bietet herausragende Eigenschaften für 5G- geben Fakten und Einblicke bei der Anforderungs-
Campusnetze im industriellen Einsatz und wird mit analyse sowie bei der notwendigen Netzplanung
der zunehmenden Digitalisierung ein wichtiger Bau- oder Ausgestaltung einer privaten Netzlösung bzw.
stein für die erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0. einem Campusnetz. Weiterhin werden der Erwerb
einer Funklizenz angesprochen und die verschiede-
5G-Campusnetze bieten erhöhte Zuverlässigkeit, vor- nen Möglichkeiten eines Netzbetriebs beurteilt. Für
hersehbare Leistungsfähigkeit und integrierte Sicher- die verschiedenen Phasen der Planung, Umsetzung
heit für Anwendungen im industriellen Umfeld. und den Betrieb von 5G-Campusnetzen bieten sich
Entscheidendes Merkmal ist eine durchgängige Herstellerfirmen von 5G-Netzen und Service-Provider
Funkabdeckung, und zwar ohne Unterbrechungen mit entsprechendem Portfolio an.
beim Funkzellenwechsel auch über große Standorte
hinweg, sowohl im Innen- als auch im Außenbereich. Das Kapitel 2 erlaubt einen schnellen Überblick über
5G-Campusnetze bieten Funktionalitäten zur Unter- grundlegende Technologien und das Frequenzspek-
stützung kritischer Anwendungen in der Industrie- trum von 5G-Campusnetzen. Das Kapitel wird um
produktion, d. h. für Anwendungen mit hohen Anfor- Referenzen zum Marktgeschehen ergänzt. In Kapitel 3
derungen an Zuverlässigkeit und garantierte, kurze werden Anwendungsfälle für verschiedene Industrie-
Reaktionszeiten (geringe Latenz). Dank drahtloser sektoren betrachtet, die einen großen Anwendungs-
Anbindung können die Netze jederzeit flexibel an ver- bereich für 5G-Campusnetze repräsentieren. Das
änderte Produktionsbedingungen oder Herstellungs- Kapitel 4 erläutert verschiedene Lösungsvarianten
bzw. Logistikprozesse angepasst werden. und zeigt kurz die grundsätzliche Netzarchitektur. Die
betriebstechnischen Ausprägungen der unterschied-
Für eine spätere erfolgreiche Umsetzung von ent- lichen 5G-Campusnetze, mögliche Betreibermodelle
sprechenden Systemen ist eine umfassende und und Kriterien für den Aufbau und Betrieb von
detaillierte Anforderungsanalyse auf Basis der geplan- 5G-Campusnetzen werden im Folgenden verglichen.
ten Anwendungsfälle notwendig. Beispiele sind die Schließlich beschreibt Kapitel 5 die Aktivitäten in der
sichere Verbindung und Kontrolle von Maschinen in Standardisierung von 5G und gibt einen Ausblick auf
einer Produktionslinie, jederzeit auffindbare Werk- weitere Entwicklungen.
zeuge, die Steuerung mobiler Transportfahrzeuge oder
eine umfassende Sensorik in der Warenlogistik. Eine In diesen Leitfaden sind Arbeiten des Leuchtturmpro-
formale Anforderungsanalyse hilft entscheidend bei jektes „IC4F – Industrial Communication for Factories“
der Identifikation der am besten geeigneten Lösung eingeflossen, das vom Bundesministerium für Wirt-
für das Unternehmen [1]. schaft und Energie im Rahmen der Initiativen zu
Industrie 4.0 maßgeblich gefördert wird.
Dieser Leitfaden bietet Orientierungshilfen für mittel
ständische Unternehmen, die nach Kommunikations- Im Projekt IC4F werden industrielle Anwendungs-
lösungen mit 5G für ihre digitalen Transformations- fälle mit 5G-Campusnetzlösungen in einem Kon-
prozesse suchen. Der Leitfaden enthält die grund- sortium mit zahlreichen Partnern aus der Industrie
legenden Konzepte, Begriffe und Anwendungsfälle und Wissenschaft aufgebaut, erprobt und validiert.
sowie eine Gegenüberstellung alternativer Betreiber- Die Konsortialpartner fassen ihre Erfahrungen und
modelle, um den interessierten Entscheidungsträ- Erkenntnisse in dieser Schrift als Orientierungshilfe
gern in Unternehmen eine fundierte Einschätzung für kleine und mittelständische Firmen sowie alle
der Potenziale dieser Technologie zu ermöglichen. fachlich Interessierten zusammen.
Künftig werden neben den klassischen Funklösungen7 2 Einführung und Übersicht
8 EINFÜHRUNG UND ÜBERSICHT
Die digitale Transformation bringt eine Reihe neuer Einordnung von wesentlichen Neuerungen in der
Anforderungen mit sich, bei denen das Kommuni- Kommunikationstechnik.
kationsnetz eine wichtige Rolle spielt. Maschinen,
Werkzeuge, Produkte und die in der Wertschöpfung Geschäftskritische Anwendungen mit Fernzugriff,
beteiligten Menschen werden vernetzt. Durch den die Steuerung von Produktionssystemen, z. B. in der
fundamentalen Wandel stehen aktuelles Wissen und Industrieautomation und im Smart Grid, sowie die
Erkenntnisse über Prozesse, Produktion und Produkte Kontrolle von autonomen Fahrzeugen benötigen
im gesamten Betrieb zur Verfügung und Rechen- wesentlich höhere Zuverlässigkeit von Kommunika-
leistung wird zuverlässig an die Orte gebracht, wo sie tionsdiensten und um Größenordnungen niedrigere
benötigt wird. Latenzzeiten.
Die rasant steigende Anzahl von intelligenten Gerä- Um diese Anforderungen zu erfüllen und industrielle
ten und Systemen sowie die Weiterentwicklung von Produktivitätsgewinne zu erzielen, müssen Kommu-
Geschäftsanwendungen benötigen erheblich mehr nikationsnetze grundlegende Eigenschaften weiter-
Bandbreite, um umfassendere Informationen zu Sys- entwickeln:
temstatus und Betriebsumgebung bereitzustellen.
Wichtige technologische Anforderungen werden im • Netzzugang: Verschiedene Zugangstechnologien
Folgenden kurz erläutert. Die Abbildung 2 zeigt die (drahtlos, drahtgebunden und optisch) arbeiten
zusammen.
Abbildung 2: D
ie digitale Transformation definiert Anforderungen an die Weiterentwicklung
der 5G-Netze
Datenrate
Lokale Bereitstellung von Diensten
10 Gb/s 360° Video VR+VRAN+Fahrzeuge bei globaler Reichweite
• neue global-lokale Wertschöpfung
• innovative Geschäftsmodelle
100 Mb/s • Leistung, Effizienz und Anpassung
lokal auf dem Campus
1 Mb/s
10 kb/s
Sensoren Steuerung
Menschen Systeme, Maschinen Latenz
10 s 1s 100 ms 10 ms 1 ms 100 µs
Core Cloud Edge Cloud
Quelle: NokiaEINFÜHRUNG UND ÜBERSICHT 9
• Elastizität: Netze werden dynamisch und pro- 5G-Netzarchitektur werden unterschiedliche Rea-
grammierbar sein. Ob neue Standorte hinzu- lisierungsstufen betrachtet. Bei der sogenannten
kommen, Produktionsanlagen sich verändern, 5G Non-Stand-Alone (NSA)-Architektur wird das
Produktionsprozesse sich dynamisch (re-)organi- LTE-Kernnetz weiterhin als Basis genutzt. Endgeräte
sieren oder die Anforderungen an die Netz-Güte kommunizieren aber bereits über 5G-Funktechnik.
schwanken, das Kommunikationsnetz soll sich Die Netzsteuerung erfolgt jedoch weiterhin über die
automatisiert anpassen und Rechenleistung wird bestehende LTE-Technik. Dies bedingt dann aber auch
dynamisch in lokalen Edge- und Hybrid-Clouds eine duale Funk-Hardware in den Netzelementen
bereitgestellt. und Endgeräten. Die als 5G Stand-Alone (SA)-Archi-
tektur bezeichnete Realisierungsstufe definiert eine
• Leistungsfähigkeit: Das Netz soll steuerbare Ver- komplett eigenständige 5G-Mobilfunkinfrastruktur.
bindungen mit vorab festgelegter Netz-Güte für
alle unterstützten Anwendungen bereitstellen, 5G bringt Neuerungen in den Bereichen:
unabhängig von variierenden Anforderungen je
Anwendung. • Neue Funkschnittstellen (5G New Radio):
Die Steigerung der Performanz-Werte durch 5G
• Ausfallsicherheit: Bei geschäftskritischen Anwen- wird vor allem durch neue Verfahren im Bereich
dungen muss das Netz die Verfügbarkeit sicher- der Luftschnittstelle (5G New Radio) realisiert.
stellen. Zuverlässiger Betrieb von 99,99 % bis Die effektive Nutzung von unterschiedlichen, z. T.
99,9999 % Verfügbarkeit ist Voraussetzung für neuen und nicht zusammenhängenden Frequen-
Produktivität und betriebliche Sicherheit. zen ist eine wesentliche Herausforderung für 5G
New Radio. Erweiterte Codierungs- und Multi-
• Sicherheit (Security): Netze sind Teil der Unter- plexing-Verfahren tragen zur Steigerung der Per-
nehmenssicherheitslösung. Die Datensicher- formanz in Bezug auf Durchsatz, Latenzzeit und
heit ist dabei eine elementare Anforderung. Eine Energieeffizienz bei. Ein weiteres Merkmal von
intelligente Netzstruktur trägt zur Minimierung 5G New Radio ist das sog. „Massive MIMO“. MIMO
bestimmter Sicherheitsbedrohungen bei. (Multiple Input Multiple Output) ist eine Anten-
nentechnologie, die mit der Nutzung von Hunder-
• Skalierbarkeit: Netze sollten in einer Weise ent- ten von Antennen in einer einzigen Basisstation
worfen werden, die die Erweiterung der Band- Datentransferraten von bis zu 10 Gbit/s erreicht.
breite, der Verarbeitung und anderer Fähigkeiten Je mehr Antennen an der Basisstation verwendet
vorwegnimmt und sich an diese anpasst. Umfang- werden, desto mehr Datenströme können verar-
reichere Datenerhebung bietet einen tieferen beitet und desto mehr Endgeräte können gleich-
Kontext und einen höheren Wert, und in jedem zeitig bedient werden. Gleichzeitig kann damit
Investitionszyklus werden zweifellos viele über- die Sendeleistung reduziert und die Datenrate ge-
zeugende neue Anwendungen hinzukommen. steigert werden. Die zusätzlichen Antennen und
die dazugehörige parallelisierte digitale Signalver-
arbeitung ermöglichen es, die Energie beim Sen-
2.1 5 G-Campusnetze – ein den und Empfangen von Signalen räumlich auf
technologischer Überblick immer kleinere Gebiete zu fokussieren, sogenann-
tes Beamforming. Es hat die Aufgabe, mit Hilfe
Technologisch gesehen stellt 5G eine schrittweise mehrerer Antennen ein gerichtetes Signal zu er-
Weiterentwicklung des vorhandenen 4G-Mobil- zeugen und so einen spezifischen Empfänger zu
funks dar, bei der die Anwendbarkeit auf vertikale erreichen. Dieser Empfänger profitiert von einem
Märkte bereits in die Architektur einfließt. In der Signalverstärkungseffekt und einer verbesserten10 EINFÜHRUNG UND ÜBERSICHT
Interferenzunterdrückung. Mit Hilfe dieser Tech- der (Slicing) und Unterstützung von Nicht-3GPP-
niken ermöglicht 5G New Radio gegenüber bishe- Authentisierung für Campusnetze.
rigen Funktechniken höhere Bandbreite, geringere
Latenz und eine deutlich gesteigerte Anzahl von • Virtualisierung der Netze (SDN/NFV):
Endgeräten pro Fläche. Ein neuer Ansatz ist die Überführung von bisher
in Hardware realisierten Funktionen in reine
• Erweiterungen des Kernnetzes (5GC): Software. Wie auch in der übrigen IT schon Praxis,
Es wird eine Dienste-basierte Architektur zur ermöglicht dies eine Virtualisierung der Netze, die
agilen Netz-Konfiguration entsprechend den damit deutlich flexibler und dynamischer werden
Anforderungen von Anwendungsfällen eingeführt. können. Software-defined Networking (SDN) und
Bereits in den 5G-Releases 16 und 17 werden eine Network Function Virtualization (NFV) sind die
Reihe Themen umgesetzt, die für 5G-Campus- Schlüsselmerkmale von 5G. Diese Konzepte erlau-
netze wichtig sind. Beispiele sind LAN-Dienste, ben es, spezifische Dienste unabhängig voneinan-
Unterstützung von TSN (Time Sensitive Net der zu entwickeln, zu testen, zu betreiben, und zu
working), Zeitsynchronisation, Überwachung Gesamtlösungen zusammenzusetzen. SDN trennt
der Dienstgüte von der Anwenderseite, partielle die Kontroll- und Datenebene von Netzen und
Konfiguration des 5G-Netzes durch den Anwen- ermöglicht damit erst eine Virtualisierung. Netze
Abbildung 3: D
ie 5G-Funktechnik baut auf existierender 4G/LTE-Technik auf und verändert die
Möglichkeiten des industriellen Produktionsbetriebs
DL: 1,5 Gbit/s
UL: 300 Mbit/s 10 Gbit/s
5G-Standards beginnen zunächst
mit mobilem Breitband für
,-19/:/ ,-19/:/
extrem Netzbetreiber
Mobiles
>(?*4/ >(?*4/
breitbandige
@9(+2?+82
Breitband @9(+2?+82
Kommunikation
R15
4G 5G Rel-16 standard-
konforme Endgeräte
2022 erwartet
massive kritische
IoT & Sensoren Maschinen- Maschinen- Maschinen-
kommunikation R17+ kommunikation R16 kommunikation
eMTC & NB-IoT LatenzEINFÜHRUNG UND ÜBERSICHT 11
werden hierdurch mandantenfähig und unter- Im Sommer 2019 wurde von der Bundesnetzagentur
stützen eine zentralisierte Sicht und Konfiguration (BNetzA) ein Frequenzvergabeprozess für 5G in zwei
von Netzkomponenten. SDN ist die Basis für Prio- Teilen angestoßen. Zunächst wurde in einer Auktion
risierung, Dienstgüte und Slicing. NFV entkoppelt 5G-Frequenzspektrum zur nationalen Nutzung an die
die Netzfunktionen von der Hardware, womit sie Mobilfunkbetreiber Deutsche Telekom, Telefónica und
austauschbar, ortsunabhängig und flexibel plat- Vodafone sowie 1&1 Drillisch versteigert.
zierbar werden. Neben der Implementierung von
Netzfunktionen bietet NFV aber auch die Mög- Anschließend wurde ein Zuteilungsverfahren für
lichkeit, neue Funktionen aus der Anwendungs- lokale 5G-Frequenzen gestartet. Die Bundesnetzagen-
ebene auf Netz-Hardware auszuführen, beispiels- tur hat zusätzlich 100 MHz Frequenzbandbreite im
weise Funktionen zur Datenaggregation. 5G-Netze Bereich 3,7 bis 3,8 GHz exklusiv für lokale und Cam-
sind nicht nur Kommunikationsplattform, son- pusnetze reserviert. Das Vergabeverfahren erlaubt, auf
dern können sich zur dynamischen Anwendungs- Antrag und unter bestimmten Voraussetzungen, die
plattform weiterentwickeln. Das gesamte 5G-Netz Zuteilung von Frequenzblöcken exklusiv auf ein oder
besitzt damit eine programmierbare, flexible und mehrere Grundstücke [2]. Je nach gewünschter Netz-
universelle Infrastruktur, ausgehend von den End- lösung und Netzausprägung bieten sich verschiedene
geräten über die Transportnetze, den Edge-Clouds, Optionen der Zusammenarbeit zwischen der Industrie
das Kernnetz bis hin zu den „klassischen“ Cloud- und Dienstleistern.
Rechenzentren.
Für viele Industrieunternehmen ergibt sich damit erst-
Die Leistungsparameter von 5G-Netzen übertreffen mals die Möglichkeit, ihr eigenes, individuelles und auf
diejenigen von 4G/LTE in drei Dimensionen ihre Anwendungen und Belange maßgeschneidertes
(Abbildung 3): Netz zu realisieren.
• eMBB – enhanced Mobile Broadband: Daten- Die Lizenzgebühr wird nach der Formel 1000 € + B · t ·
Volumina erreichen 10 Tbit/s/km2 und Spitzen- 5 · (6 · a1 + a2) berechnet. B ist die Bandbreite in MHz
Datenraten von 10 Gbit/s zwischen 10 und 100 MHz in Zehnerschritten. t ist die
Laufzeit der Zuteilung in Jahren. a ist die Fläche in km²,
• mMTC – massive Machine-Type Communications: wobei zwischen Siedlungs- und Verkehrsflächen (a1)
hohe IoT-Endgeräte-Dichte von einer Million/km2 und anderen Flächen (a2) unterschieden wird [2]. Eine
und optimierter Energieverbrauch im Bereich von 10-jährige Frequenzzuteilung für 30 MHz auf einer
10 % bezogen auf LTE-Systeme Fläche von 25 ha (500 x 500 m2) würde damit 3250 €
kosten (Siedlungsgebiet), was einer jährlichen Lizenz-
• URLLC – Ultra-Reliable Low-Latency Communica- gebühr von 325 €/Jahr entspricht.
tions: Einweg-Latenzzeit unterhalb von 1 ms, Ver-
fügbarkeit von 99,999 % Nähere Informationen sind auf der Internet-Präsenz
der Bundesnetzagentur [3] verfügbar, u. a. detaillierte
Verwaltungsvorschriften [2], Antragsformular und
2.2 Lokales Spektrum Gebührenmodell.
Industriekunden sind zunehmend daran interessiert,
ihre betrieblichen Abläufe flexibel zu steuern und zu
verwalten. Drahtlose Kommunikation und Konnek-
tivität spielen hier eine Schlüsselrolle und so ist der
Zugang zu Frequenzen von großer Bedeutung.12 EINFÜHRUNG UND ÜBERSICHT
2.3 Aktuelle Marktentwicklungen • Netzbetreiber wie die Telekom bereiten Lösungen
für 5G-Campusnetze vor, die hohe Verfügbarkeit
Für 5G-Campusnetze besteht aktuell ein hohes Inte- garantieren, hohe Bandbreiten für industrielle
resse bei allen involvierten Marktteilnehmern und IoT-Prozesse zur Verfügung stellen, schnelle Reak-
deren Verbänden. Abschätzungen zeigen ein Poten- tionszeiten ermöglichen und Anforderungen an
zial für 5.000 bis 10.000 5G-Campusnetze in Deutsch- mobile Anwendungen abdecken [9].
land im Zeitraum bis 2025, wobei eine Mehrzahl der
Netze bei KMU zum Einsatz kommen wird [4]. Nach • Die Bundesnetzagentur hat die Berechnung der
einer Umfrage des VDMA [5] haben sich ca. 35 % der Gebühren für 5G-Campusnetze bekannt gegeben,
befragten Unternehmen bereits für den Aufbau von die beispielsweise vom Bundesverband Breitband-
5G-Campusnetzen entschlossen, wobei ca. 50 % einen kommunikation als „moderat“ begrüßt wurden
eigenen Aufbau anstreben und ca. 20 % einen Eigen- [10].
betrieb.
• T-Systems beschreibt IIoT-Einsatzszenarien für
Der Markt für 5G-Campusnetze befindet sich in der 5G-Campusnetze, um Industrie 4.0-Anwendungs-
Startphase, nachdem nun Spektrum erworben werden fälle zu ermöglichen [11]. Im Dokument „5G Cam-
kann und sich die Verfügbarkeit von kommerziellen pus-Netze – LTE- und 5G-Technologie für lokale
Komponenten abzeichnet. Exemplarisch sollen hier Firmennetze“ wird das Slicing für Anwendungen
einige Artikel und Studien genannt werden, die das in Campusnetzen beschrieben [12].
Marktgeschehen aus verschiedenen Perspektiven
beleuchten: Beim Einsatz von Funktechnologien, insbesondere in
den für 5G vorgesehenen höheren Frequenzbereichen,
• 5G-ACIA beschreibt in einem White Paper ver- gibt es teilweise Befürchtungen zu möglichen Auswir-
schiedene Einführungsszenarien von 5G-Campus- kungen auf Mensch und Umwelt. Aus Sicht des Bun-
netzen für IIoT-Anwendungen, die durch 3GPP desamts für Strahlenschutz können viele Erkenntnisse
festgelegt wurden. Dieses White Paper wurde im aus Studien, in denen mögliche Gesundheitswirkun-
Juli 2019 veröffentlicht [6]. gen elektromagnetischer Felder des Mobilfunks unter-
sucht wurden, zu einem großen Teil auf 5G übertragen
• Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagen werden. Dies betrifft vor allem Frequenzbänder bis zu
bau e. V. (VDMA) bereitet als Europas größter 3,6 GHz. Auch für später geplante Frequenzbänder bei
Industrieverband für das 2. Quartal 2020 eine Ver- 26 GHz, 40 GHz oder bis zu 86 GHz ist davon auszuge-
öffentlichung zum Thema „5G im Maschinen- und hen, dass hier unterhalb der bestehenden Grenzwerte
Anlagenbau“ vor [7]. Einige Projektpartner von keine gesundheitlichen Auswirkungen zu erwarten
IC4F sind daran beteiligt. sind [13]. Auch nach Bitkom gehen von 5G-Funksys-
temen bei Einhaltung der geltenden Grenzwerte keine
• Einer Einschätzung von Arthur D. Little zufolge gesundheitsschädlichen Auswirkungen durch elektro-
eröffnet die Nachfrage aus der Industrie zusam- magnetische Felder mit den vom Mobilfunk verwen-
men mit den regulatorischen Veränderungen die deten Frequenzen aus [14].
Möglichkeit zur Umsatzsteigerung von etablierten
Netzausrüstern und -betreibern sowie Eintritts-
chancen für neue Anbieter spezifischer Kompo-
nenten und Lösungen für 5G-Campusnetze [8].13 3 N eue Anwendungsszenarien durch 5G
14 N E U E A N W E N D U N G SS Z E N A R I E N D U R C H 5 G
3.1 A
nwendungen in der für die Steigerung der Produktionsleistung bzw. die
Produktion Verbesserung der betrieblichen Effizienz und zur Ent-
scheidungsfindung positiv beitragen.
Im Zuge von Industrie 4.0 und sich ändernden Märk-
ten und Kundenerwartungen ändern sich auch die 5G verspricht, diese Anforderungen erfüllen zu kön-
Anforderungen an das bisherige Produktionsumfeld. nen. So kann 5G die Vielzahl an Sensoren miteinan-
Hersteller suchen mit ihren Lieferketten nach einem der vernetzen, sodass flexible Sensorsysteme direkt
neuen Maß an Agilität und Prognose-Fähigkeit, um an die Steuerung der autonomen Roboter gekoppelt
ihre Just-in-Time-Fertigung zu verbessern und die und Probleme mit Steuerung oder Produktion vor-
raschen Veränderungen der Verbrauchernachfrage ausberechnet werden können. Auch die Steuerung
besser zu bedienen. Angesichts des stockenden Pro- der Systeme selbst kann mit 5G durch die latenzarme
duktivitätswachstums suchen die Hersteller auch Verbindung realisiert werden. Durch die hohe Verfüg-
nach effizienteren Wegen, um Lieferketten und Logis- barkeit und Zuverlässigkeit der 5G-Kommunikation
tik zu verwalten, agilere Produktionsstätten zu schaf- können sogar sicherheitskritische Prozesse mobil und
fen und ihre Mitarbeiter mit moderner Technik zu flexibel eingesetzt werden. Durch die hohen Daten-
unterstützen. Viele Hersteller sind bereits heute stark raten, die unterstützt werden, können Produktion
automatisiert, jedoch ist der Einsatz von Fließband- und Steuerung auf hochauflösende Kamerasysteme
robotern und automatisierten Transportfahrzeugen zurückgreifen, die in Echtzeit und zuverlässig Infor-
an statische Arbeitsabläufe gebunden. Die nächste mationen über Qualität des Produktes und Zustand
Generation der Industrieautomation verspricht eine der Produktion liefern. Eine umfangreiche Auswahl
Optimierung der Produktion für flexiblere Änderun- an Anwendungsfällen aus der Produktion findet sich
gen der Arbeitsabläufe und eine schnelle Anpassung in [15], [16]. Zahlreiche Anwendungsfälle werden im
der Konstellationen an neue Anforderungen, auch für IC4F-Projekt umgesetzt [17].
kleine Chargen bis hin zur Produktion von Einzelstü-
cken, für die schnelle Umrüstungen benötigt werden.
3.2 A
nwendungen in der
Neben der Vernetzung der Maschinen wird es darauf Intralogistik
ankommen, Waren, Produkte, Werkzeuge, Transport-
fahrzeuge und Mitarbeiter in die digitale Transforma- Mit 5G eröffnen sich für die Intralogistik, insbeson-
tion einzubeziehen, um jederzeit über den Zustand dere für mobile industrielle Applikationen, neue
und Fortschritt im Produktionsprozess Informatio- Anwendungsmöglichkeiten, die bisher so nicht mög-
nen zu erlangen. Vernetzte Sensoren und Aktoren, lich waren. Dabei geht es nicht um klassische Flotten-
Werkzeuge und Maschinen (Industrial IoT), Analytik, managementlösungen für Flurförderfahrzeuge, die
Methoden der Künstlichen Intelligenz und Machine aufgrund der gängigen Zeit- und Volumenanforde-
Learning sind vielversprechend für die Verbesserung rungen auch mit 4G oder WLAN realisiert werden
der Echtzeitinformationen und der Steuerung auto- können, sondern in der Regel um autonome Systeme.
matisierter Prozesse. Mit der Zusammenführung Zum einen ist davon auszugehen, dass in Zukunft
dieser Daten und Informationen entsteht ein digita- die Anzahl dieser Systeme sprunghaft ansteigt, und
les Abbild der Produktionsprozesse, ein sogenann- zum anderen, dass die Systeme immer komplexere
ter Digitaler Schatten oder Digitaler Zwilling. Dies Aufgaben bewältigen müssen, da sie humanoide Auf-
ermöglicht durch Analyse, Verstehen und Interpre- gaben übernehmen werden, um die Produktivität
tation der gesammelten Daten und Informationen zu erhöhen. Die autonomen Systeme der aktuellen
das Ableiten von Aktionen und Veränderungen, die Generation sind in der Regel extrem autark und benö-N E U E A N W E N D U N G SS Z E N A R I E N D U R C H 5 G 15
tigen daher nur eine begrenzte mobile Anbindung. Neben der Bereitstellung dieser technischen Möglich-
Routenberechnung, Lokalisierung, Problemlösungs- keiten sind aber auch umfangreiche Standardisie-
strategien und Sicherheitsfunktionen sind direkt in rungen notwendig, um derart umfangreiche Systeme
Fahrzeugen integriert. Von außen werden in der Regel in Zukunft zu realisieren. Während es sich bei einem
nur Zielkoordinaten und Auftragsdaten übertragen 5G-Campusnetz um eine einheitliche Kommunika-
und begrenzte Betriebsdaten abgerufen. Die nächste tionsinfrastruktur handelt, ist in den Unternehmen
Generation der autonomen Fahrzeuge wird von 5G in der Regel von einem Einsatz gemischter Fahrzeug-
profitieren, da Edge-Cloud-Computing mit einer leis- flotten von verschiedenen Herstellern auszugehen.
tungsfähigen und hochstabilen Kommunikations- Alle diese Systeme müssen sich daher auf den ver-
anbindung eine Auslagerung von Teilfunktionen schiedenen Kommunikationsschichten gleich ver-
ermöglicht. In erster Instanz werden Funktionen der halten und über ein einheitliches Sicherheitskonzept
Routenberechnung und Informationen, die für die verfügen. Hier werden in Zukunft noch umfangreiche
Wartung relevant sind, abgebildet. Neue KI-Strate- Schnittstellen-Abstimmungen notwendig. Des Weite-
gien können dadurch mit den entsprechenden Daten ren müssen diverse Service-Kanäle für die Hersteller
versorgt werden und Echtzeiteingriffe auf Basis von bereitgestellt werden, damit die komplexen Systeme
Digitalen Zwillingen werden möglich. Latenzzeiten anspruchsgerecht gewartet werden können.
unter 10 ms und Handover-Zeiten im Bereich von
1 ms lassen eine lückenlose Kommunikation zu und
sind maßgebliche Wegbereiter für diese Entwicklung. 3.3 Anwendungen in der Logistik
Die Vorteile beim Betrieb großer Flotten von AGVs
(Automated Guided Vehicle – fahrerloses Transport- 3.3.1 Transport an Häfen
fahrzeug) liegen hierbei in der Reduzierung der Pro-
zessorkapazitäten auf den Fahrzeugen, der nahezu Heute werden bezogen auf das Warengewicht unge-
unbegrenzten Speichermöglichkeit von Daten und fähr 90 Prozent der Waren der Welt auf dem Seeweg
der Auslagerung von zum Beispiel rechenintensiven transportiert [18]. Containerhäfen spielen eine ent-
Bildverarbeitungsprozessen. Lösungsstrategien, die scheidende Rolle bei der Bewältigung von Verkehrs-
für den Betrieb dieser großen Flotten notwendig sind, schwankungen und bei der Gewährleistung einer
können dann in Zukunft auf der Edge-Cloud gerech- schnellen Abwicklung für ihre Kunden. Der Umfang
net werden, auf der alle Fahrzeugdaten verfügbar sind. und die Vorteile der Digitalisierung sind enorm, da
Bei der übernächsten Generation von AGVs ist in der ein Großteil des aktuellen Betriebs auf manuellen
Planung, die Sicherheitssysteme in den globalen Kon- Prozessen beruht. Viele dieser Häfen haben begonnen,
text zu übertragen, was erneut zur Vereinfachung der verstärkt zu automatisieren, um Prozesse, Effizienz
Einzel-AGVs führen wird. sowie die Sicherheit der von ihnen umgeschlagenen
Waren zu verbessern. Wenn ein Schiff mit mehr als
Bei der Bereitstellung entsprechender Infrastrukturen 20.000 Containern an einem Seehafen anlegt, müssen
für autonome Systeme sind Randbedingungen ein- die Waren schnell und sicher für den weiteren Ver-
zuhalten, damit ein Betrieb möglich ist. Bei großen sand entladen werden. Automatisierung und Digita-
Flotten mit datenintensiver Kommunikation müssen lisierung ermöglichen es dem Hafen, den massiven
entsprechend viele 5G-Zellen vorgehalten werden. Für Informationsfluss zu bewältigen, der mit den Schiffs-
das Verlagern sicherheitsrelevanter Funktionen und containern einhergeht und für den Rest der Reise
die Vermeidung von Produktionsausfällen bei zentra- generiert werden muss. Oft sind mehrere Unterneh-
lisierter Steuerung muss das Funknetz redundant auf- men an den Vorgängen beteiligt, von denen jedes sei-
gebaut werden. nen eigenen Bedarf an dedizierter Konnektivität im16 N E U E A N W E N D U N G SS Z E N A R I E N D U R C H 5 G
Hafen hat. Darüber hinaus müssen diese Bemühun- 3.4 Anwendungen in der Smart City
gen eng koordiniert werden. Die erste Anwendung,
die am häufigsten angefordert wird, ist die Erstel- In der Stadt angekommen, bietet 5G unendliche Mög-
lung eines Echtzeitüberblicks über den Hafenbetrieb, lichkeiten, Geschäftsmodelle für Firmen, aber auch
wobei Kameras verwendet werden, um Disponenten für die Privatbevölkerung anzubieten. Der Komfort-
die Möglichkeit zu geben, die Kräne und Portalhub- gewinn ist dabei immens, wenn eine zuverlässige
wagen zu bedienen. Diese Kameras werden auch Kommunikation alles mit allem verbindet. Das kön-
verwendet, um den Zustand der Container bei der nen Bürger mit Bürgern, Bürger mit der Infrastruktur,
Ankunft zu überprüfen und Diebstahl im Hafen zu aber auch die Infrastruktur mit sich selbst sein. Nur
vermeiden. Häfen der Zukunft müssen ferngesteuerte einige Beispiele für vernetzte Infrastruktur sind Fahr-
und automatisierte Lastkraftwagen, Portalhubwagen zeuge, Ampeln, Türen, Supermärkte und vieles mehr.
und Krane einsetzen, um die Effizienz und Sicherheit Hierbei können die unterschiedlichen Verbesserun-
weiter zu verbessern. gen von 5G gegenüber den bisherigen Mobilfunkgene-
rationen individuell bis zum Maximum ausgeschöpft
3.3.2 Bahn und LKW werden und bieten vor allem im Bereich privater
Campusnetze ein großes Potenzial für Betreiber von
Die Automatisierung der Logistik beginnt an Häfen Einkaufszentren, Schulen, Bürokomplexen, aber auch
oder Flughäfen, aber das Leben der Bevölkerung fin- für ganze Innenstädte, wo eine Unabhängigkeit von
det in den Städten statt. Um von Häfen in die Städte öffentlicher Infrastruktur viele Möglichkeiten öffnet.
zu gelangen, werden Transportmittel wie Bahn und
Lastwagen eingesetzt. Auch hier nimmt die Auto-
matisierung und Vernetzung stets zu, um einerseits 3.5 A
nwendungen bei der
die Effizienz, andererseits aber auch die Sicherheit elektrischen Energieversorgung
zu erhöhen. Bahnhöfe, auf denen schnell und flexi-
bel mit der Infrastruktur, den Zügen, aber auch dem Die Schaffung einer sicheren und zuverlässigen
Personal kommuniziert werden kann, können viel Energieversorgung aus oft fluktuierenden Quel-
schneller auf Ausfälle, priorisierte Bewegungen und len erfordert die Überwachung und Steuerung von
unvorhersehbare Vorfälle reagieren. Ein voll vernetz- Geräten, die in Privathaushalten, Unternehmen und
tes Kamerasystem, das intelligent die Bilder in Echt- im Verteilnetz installiert sind, in einer Geschwindig-
zeit auswertet und mit dem Leitsystem verknüpft ist, keit und Größenordnung, die weit über den heuti-
kann Unfälle mit Passagieren verhindern, aber auch gen Betrieb hinausgeht. Diese Verschiebung führt
einer Überfüllung entgegenwirken, indem flexibel zu radikalen Veränderungen in den Nutzfunktionen
Züge getauscht oder Wagen angehängt werden, ohne und Geschäftsmodellen. Erhebliche Strommengen
dass der Betrieb gestört wird. Und auch hier kann werden in Verbrauchergebäuden und an eigenstän-
dem Passagier selbst ein großes Angebot an Komfort digen dezentralen Standorten erzeugt, was zu einem
und Multimedia bereitgestellt werden, indem das zen- Austausch von Energie aus der Nachbarschaft und
trale Leitsystem stets über alle Vorkommnisse und der Gemeinde führt. Einzelhandelsmärkte für Ener-
Verspätungen informiert ist und Streckenbelegungen gie entstehen, um Echtzeit-Energietransaktionen mit
flexibel managen kann. 5G liefert dabei besonders Hilfe von Blockchains zu unterstützen und deren Aus-
in Bahnhöfen immense Möglichkeiten durch die führung zu erleichtern.
große Anzahl an Nutzern, die unterstützt werden und
gleichzeitig hohe Datenraten bei niedrigerer Latenz Die weit verbreitete Automatisierung, die Verwen-
nutzen können. dung von Datenanalysen zur Unterstützung neuer
Versorgungsanwendungen und die VerwendungN E U E A N W E N D U N G SS Z E N A R I E N D U R C H 5 G 17
erweiterter Nachrichtensysteme durch das Außen- 3.7 Anwendungen in der Medizin
dienstpersonal werden den Betrieb der Versorger
verändern. Es wurden enorme Kapitalinvestitionen Um die zukünftigen Herausforderungen einer
getätigt, um das zentrale Stromnetz der Vergangen- bedarfsgerechten und personalisierten Medizin zu
heit zu unterstützen. Nun muss diese Infrastruktur – erfüllen, müssen die Potenziale der Digitalisierung
ursprünglich für den Einweg-Energiefluss ausgelegt – auch im Gesundheitswesen effizient genutzt werden.
den Zweiweg-Energiefluss bewältigen. Bestehendes Dabei spielt der Einsatz geeigneter Kommunikations-
Vermögen zu schützen, um die Energiekosten der infrastrukturen eine entscheidende Rolle. Neben den
Verbraucher niedrig zu halten, ist unabdingbar. Infol- technischen Anforderungsprofilen der verschiedenen
gedessen müssen die Versorgungsunternehmen eine medizinischen Anwendungsfelder ist besonders die
Vielzahl von Sensoren und Controllern bereitstellen, Datensicherheit eine zentrale Anforderung an das
um sicherzustellen, dass ihr Netz nicht überlastet Kommunikationsnetz.
wird und die Stromqualität erhalten bleibt. Die Mög-
lichkeiten für digitale Effizienz im Energienetz sind 5G bietet eine enorme Konnektivität und hohe
vielfältig. Geschwindigkeiten. Diese Eigenschaften tragen dazu
bei, die Gesundheitsversorgung zu verändern.
3.6 Anwendungen im Bergbau Medizinische Campusnetze für Krankenhäuser und
Pflegeeinrichtungen stellen eine geeignete Kommu-
In einer starken Wirtschaft profitiert der Bergbau nikationslösung dar, um zum einen die Sicherheit der
von einer unstillbaren Nachfrage nach Mineralien. hochsensiblen Gesundheitsdaten zu gewährleisten
Bei günstigen wirtschaftlichen Bedingungen ist die und zum anderen zukünftige applikationsspezifische
Produktivität des Bergbaus hauptsächlich durch Anforderungen zu erfüllen. Neue Anwendungsfelder
Engpässe im Mineralabbau oder in der Lieferkette sind insbesondere die schnelle Übertragung von gro-
begrenzt. Die Industrie leidet auch unter über- ßen Datenmengen aus bildgebenden medizinischen
mäßigen Betriebskosten und Kapitalkosten. Diese Systemen, die Erweiterung der Telemedizin und
Faktoren zwingen den Bergbau, eine immer höhere zuverlässige Patientenüberwachung in Echtzeit, digi-
Effizienz zu erzielen. Die Gefährlichkeit von Bergbau- tale Assistenzsysteme wie AR/VR oder holografische
umgebungen (gekennzeichnet durch Staub, die Ver- Visualisierungen für neue Operationstechniken.
wendung von hochexplosiven Stoffen, extrem hohe
Temperaturen und das Bewegen schwerer Geräte)
führt zu einer stärkeren Betonung der Arbeitssicher- 3.8 Mobile Campusnetze
heit in der Industrie.
Einige Anwendungsgebiete wie Landwirtschaft oder
Das Bedürfnis nach kontinuierlicher Verbesserung Baustellen können nicht mit fest installierter priva-
von Sicherheit, Produktivität und Effizienz führt zu ter Infrastruktur oder einem Slice im öffentlichen
einer beispiellosen Nachfrage nach Digitalisierung, Netz gelöst werden. Letzteres ist meist damit begrün-
Automatisierung und Optimierung aller Aspekte des det, dass es immer noch signifikant große Gebiete
Bergbaubetriebs von der Grube bis zum Hafen. Die ohne oder mit sehr sporadischer Abdeckung gibt. Um
Einführung automatisierter Minen im Tagebau führt moderne Techniken und effizienzsteigernde Verfah-
zu einer Verbesserung der Betriebseffizienz. ren anwenden zu können, ist es aber wichtig, dass auf
dem Feld oder der Baustelle eine zuverlässige Vernet-
zung mit hohen Datenraten und niedrigen Latenz-
zeiten gewährleistet wird. Dabei ist wichtig, dass die
Anwendungen lokal autark lauffähig sind, da oft nur18 N E U E A N W E N D U N G SS Z E N A R I E N D U R C H 5 G
eine Satellitenanbindung mit niedrigen Datenraten Netze aufgebaut werden, wo noch keine Netze in aus-
oder eine zeitweise aktive Richtfunkanbindung mög- reichender Qualität zur Verfügung stehen oder das
lich ist. Ferner können Anwendungen in der Veranstal- bestehende Netz die Anforderungen an Latenz oder
tungstechnik für mobile Events (z. B. Konzertfestivals) Datenrate nicht erfüllt. Dies wird besonders dann
mit mobilen privaten 5G-Netzen realisiert werden [19]. erforderlich, wenn mehrere Baumaschinen koope-
rativ mit anderen Maschinen oder sogar kollaborativ
3.8.1 Anwendungen in der Landwirtschaft mit Arbeitern interagieren müssen. Die dafür benötig-
ten Anforderungen können nur lokale, dafür konfigu-
In der modernen Landwirtschaft sind Begriffe wie rierte Netze erfüllen. Durch die mobilen Campusnetze
„Smart Farming“ und „Precision Farming“ überall zu können so die Sicherheit auf Baustellen gesichert, die
finden. Doch gegenwärtige Mobilfunklösungen der Effizienz gesteigert und die Bauzeiten verkürzt wer-
Weitverkehrsnetze haben nicht die Fähigkeit, solche den. Eine Baumaschine, die auf einer Baustelle auf
Anwendungen ausreichend zu unterstützen. Durch einen Maschinenführer oder die Überfahrt zu einer
mobile Campusnetze auf privaten Frequenzen ist es anderen Baustelle wartet, wird es in Zukunft nicht
möglich, zuverlässigen und hochbitratigen Mobil- mehr geben. Durch die hohe Vernetzung und die
funk auf landwirtschaftlichen Flächen zu bekommen. hochpräzise GPS- und 5G-gesteuerte Lokalisierung
So können miteinander vernetzte autonom fahrende wird die Auslastung der Maschinen um ein Vielfaches
Fahrzeugverbände, kooperierende Drohnen und verbessert. Diese Ansätze werden aktuell im Projekt
hochpräzises Düngen und Spritzen ermöglicht wer- DigitalTWIN [20] bearbeitet.
den. Da auf dem Feld nur zu bestimmten Zeiten eine
Abdeckung benötigt wird, wie z. B. beim Säen, Ernten 3.8.3 Mobile Fabrik
oder Düngen, ist es wichtig, dass das Netz auf einer
portablen, autark laufenden Plattform installiert wird
Eine mobile Fabrik ist eine in sich geschlossene Pro-
und dem Landwirt schnell und flexibel zur Verfügung duktionseinheit. Sie besteht aus einsatzbereiten
steht. 5G bietet mit den privaten Campusnetzen diese Modulen in Form von Fracht-Containern, die in kür-
Möglichkeit und unterstützt zudem mit seiner fle- zester Zeit an einem ausgewählten Ort montiert und
xiblen Konfigurierbarkeit viele Anwendungen, sodass aufgebaut werden können [21]. Erfolgreiche Anwen-
die Netze dazwischen nicht ungenutzt sein müssen, dungsgebiete der „Factory-in-a-Box“ sind Produk-
sondern für andere Anwendungsfälle genutzt werden tionslinien der Elektronischen Industrie, aus dem
können. Bereich der Konsumgüter sowie im Bereich Lebens-
mittel und Getränke. Es werden verschiedene, für
3.8.2 Baustelle Industrie 4.0 nützliche Konzepte genutzt, wie hyper-
flexible Produktionsprozesse durch Cloud-basierte
Ein weiterer Anwendungsfall wird die Baustelle der Anwendungen, Sensoren auf Teilebenen, Manufactu-
Zukunft sein. Sind heute noch viele Bauunterneh- ring Execution Systems (MES) und Robotik. Mobile
mer völlig ausgelastet, weil dringend benötigtes aus- Fabriken bieten die Möglichkeit, Investitionen in
gebildetes Personal zum Führen der Maschinen fehlt, Betriebstechnologien zu standardisieren. Hierbei
kann in Zukunft ein intelligenter autonomer Bagger werden in der Factory-in-a-Box je nach Produktions-
selbsttätig Arbeiten ausführen. Die benötigten Infor- schritt Sensornetze, AR/VR-Anwendungen oder kol-
mationen werden ihm entweder lokal durch eine laborative Robotik eingesetzt. Die Anbindung der
Edge-Cloud vor Ort oder über eine Anbindung an die Factory-in-a-Box an Cloud-Dienste je eingesetzter
firmeneigene oder herstellerbetriebene Cloud gegeben. Maschine oder die Einbindung in die höheren Ebenen
Mobile Campusnetze sind auch hier der Grundstein der Unternehmensinfrastruktur ist durch 4G- und
für solche Anwendungen, denn so können flexibel 5G-Funktechnik an fast beliebigen Orten möglich.Sie können auch lesen
