Netzwerktests ebenen den Weg zur intelligenten Fabrik
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Messtechnik
Netzwerktests ebenen den Weg zur intelligenten
Fabrik
Der 5G-Mobilfunk bringt alle Voraussetzungen mit, um die intelligente Fabrik der Zukunft drahtlos zu
vernetzen. Doch damit das gelingt, sind Netzwerktests unabdingbar.
von mindestens vier drahtlosen
Zugangspunkten aus versorgt
werden können. Ob das gewähr-
leistet ist, kann nur ein Test vor
Ort klären, und zwar nicht nur
bei der Erstinstallation, sondern
nach jeder Umgestaltung des
Maschinen- oder Gebäude-Lay-
outs, da bauliche Veränderungen
sich auf die Ausbreitungsbedin-
gungen der Funkwellen auswir-
ken können.
Die zuverlässige drahtlose
Erreichbarkeit jeder Stelle ist
eine notwendige, aber noch keine
hinreichende Voraussetzung
für den reibungslosen Betrieb.
Zusätzlich muss die Performance
stimmen, die sich nicht nur nach
Bild 1: Die Einweg-Latenz ist die Signallaufzeit vom Sender zum Empfänger (oberes Bild), während die Umlauf-Latenz, dem erzielbaren Datendurchsatz
Round-Trip- oder Antwortzeit die Verarbeitungsdauer durch den Empfänger und die Rücklaufzeit beinhaltet bemisst, sondern – in vielen Fäl-
len wichtiger – auch nach der
Latenzzeit, also der Zeit, die ein
Die 5G-Technologie wurde 5G-Basis werden deshalb das Signal benötigt, um das System
in 3GPP Release 15 standar- Adergeflecht bilden, das den zu durchlaufen. Die Latenzen
disiert, das die Grundlage der komplexen Fabrikorganismus bisheriger Mobilfunktechnolo-
aktuellen 5G-Netze bildet. Vom am Leben erhält. Da eine auch gien bis hin zu 4G waren nicht
Release 16, das stark von der nur kurzzeitige Beeinträchti- kurz genug, um den Anforde-
5G Automotive Association gung des Datenflusses gravie- rungen einer Echtzeitsteuerung
(5GAA) und der 5G Alliance for rende Folgen – und Kosten – zu genügen. Dieser Hinderungs-
Connected Industries and Auto- nach sich ziehen kann, ist das grund ist mit 5G entfallen, das
mation (5G-ACIA) beeinflusst Funknetz mit großer Sorgfalt zu Latenzen von wenigen Millise-
konzipieren, einzurichten und kunden ermöglicht.
wird, sind weitere deutliche Ver-
besserungen bei der Latenzzeit, zu überwachen. Das geschieht
der Netzwerksynchronisierung in mehreren (Test-)Phasen, die Man unterscheidet zwischen
und der Integration in indus- nachfolgend erläutert werden. Umlauf- (Round-Trip-) und
Einweg-Latenz (Bild 1). Aug-
trielle Ethernet-Netzwerke zu mented- bzw. Virtual-Rea-
erwarten. Damit entwickelt sich Die wichtigsten KPIs in der lity-Anwendungsfälle benöti-
5G zu einer geeigneten Tech- mobilfunkvernetzten Fabrik gen beispielsweise eine kurze
nologie, um die Anforderun-
gen intelligenter Fabriken (In- Eine intelligente Fabrik ist eine Umlauf-Latenzzeit, denn wenn
dustrie 4.0) zu erfüllen. Diese kritische Umgebung, die strenge der Techniker mit AR/VR-Brille
zeichnen sich durch eine daten- Anforderungen an die Konnek- seinen Kopf bewegt, muss der
getriebene Echtzeitsteuerung tivität und Zuverlässigkeit der Bildinhalt sehr schnell aktuali-
Maschinen sowie an die Daten- siert werden, um die eingeblen-
aller Prozesse aus sowie durch
und Mitarbeitersicherheit erfül- deten Daten mit dem Live-
die Möglichkeit, Produktionsli-
len muss, insbesondere wenn die Bild konsistent zu halten. Die
Arnd Sibila nien schnell und flexibel umzu- Konnektivität durch Drahtlos- Echtzeit-Steuerung einer nicht
Lehrvideos und weitere gestalten. Voraussetzung dafür technologien bereitgestellt wird. autonomen Maschine erfordert
Informationen bietet eine ist eine so umfassende Vernet- hingegen eine niedrige Einweg-
spezielle Smart-Factory- zung der Maschinen, Menschen, Ein probates Mittel zur Erhö- Latenzzeit. Die Steuerbefehle
Webseite: Anlagen, Logistik und Produkte, hung der Zuverlässigkeit ist müssen hier unmittelbar zur
www.rohde-schwarz.com/mnt/ wie sie nur über Funk machbar Redundanz. Jeder Standort in Aktion führen, etwa der Halte-
smart-factory ist. Schnelle Funkstrecken auf der funkvernetzten Fabrik sollte befehl an einen Roboter.
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Messtechnik
Bild 2: Netzwerktestphasen 1 bis 4 von der Vorbereitung bis zur 24/7-Überwachung der Dienstqualität im Regelbetrieb
Die fünf Phasen des die Buchung von Ressourcen bei (R&S MNT100, R&S PR200) duktportfolio die passenden
Netzwerktests einem der großen Netzbetreiber, zum Einsatz. Messgeräte bereit. Für die
der sein Basisstationsnetz um Funktionstests (DL, UL, Ping/
Wie die Fabrikplanung als Gan- die Fabrik herum verdichten Phase 2: Abnahmeprüfung vor TWAMP) bietet sich QualiPoc
zes folgt auch die Implementie- oder zusätzliche Basisstationen Ort Android an, eine Smartphone-
rung eines Funknetzes einem in der Fabrik installieren wird, basierte Messsoftware, die die
Phasenmodell. Dieses beinhal- um den Anforderungen gerecht In der zweiten Phase wird der
Mobilfunkversorgung aus der
tet einen fünfstufigen Testplan. zu werden. Betrieb der neuaufgestellten
Nutzerperspektive bewertet.
Bild 2 zeigt die ersten vier Stu- Basisstationen getestet und
fen, die verifizieren sollen, dass validiert. Das umfasst einfache Für OTA-Spektrummessungen
das Netz die strengen Zuver-
Phase 1: Vorbereitung der Funktionstests wie Download/ empfiehlt sich der Handheld-
lässigkeits- und Performance- Einführung Upload-Tests und Umlauf- Spektrumanalysator R&S FPH
Anforderungen erfüllt. Latenz-Messungen, ferner HF- (SpectrumRider), während die
Soll das Netz auf Basis eines Spektrumanalysen over the air 5G Site Testing Solution R&S
In manchen Ländern, so in Campus-Frequenzbands aufge- (OTA) sowie die Decodierung 5G STS ein umfassendes mobil-
Deutschland, sind 5G-Fre- baut werden, ist zunächst festzu- der Signale zur Verifizierung funktechnisches Lagebild liefert,
quenzen für Campus- bzw. pri- stellen, ob das Spektrum frei von von PCI-, SSB- und SIB-Infor- mit dem etwaige Schwachstellen
vate Netze reserviert, deren Interferenzen ist. Die Erfahrung mationen für 5G- und LTE- und Problemfelder schnell auf-
Nutzung von Fabrikbetreibern zeigt, dass das für neu zugewie- Ankersignale. gedeckt werden können.
beantragt werden kann. Auch die senes, bisher unbewirtschaftetes
Errichtung und der Betrieb des Spektrum nicht vorausgesetzt Die Signaldecodierung hilft
Netzes sind dann privat zu orga- werden kann. Bei den fälligen außerdem bei der Fehlersuche Phase 3: Abdeckungs- und
nisieren, werden in der Regel Messungen kommen Netz- bei bestimmten Parametern im Leistungstest
aber an Dienstleister ausgela- werkscanner (R&S TSMx6), Falle von Problemen oder uner-
gert. In Ländern ohne dedizierte Handheld-Spektrumanalysa- warteten Ergebnissen. Jetzt folgt die Probe aufs Exem-
Campus-Frequenzen führt der toren (R&S FPH/FSH) oder Auch für diesen Aufgabenkreis pel. Es gilt sicherzustellen, dass
Weg zur Fabrikvernetzung über tragbare Funkmessempfänger hält das Rohde&Schwarz-Pro- das Netz im gesamten Werk-
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Messtechnik
Exkurs: Ein neues Verfahren zur Messung der Netzwerk-Performance
Bild 1: Mit dem auf TWAMP basierenden Interaktivitäts-Test (Two Way Active Measurement Protocol) kann man nicht nur die Laufzeit (Latenz) zwischen
zwei IP-Knoten präzise ermitteln, sondern auch andere Performance-KPIs wie Paketverluste
Die Sicherstellung einer flä- netzen dient. Ping hat aber Die Rohde&Schwarz-Lösung ware die Umlauf-Latenz, deren
chendeckend hohen Netzwerk- inhärente Nachteile, wenn als Bestandteil der QualiPoc- Variationsspanne (minima-
Performance ist für Fabrik- es um die Genauigkeit geht, Android-Mess-Software bildet ler und maximaler Messwert)
funknetze essenziell. Latenz was sich insbesondere bei den aus mehreren Metriken einen sowie die Paketfehlerrate und
und Datendurchsatz müssen an niedrigen Latenzen auswirkt, aussagefähigen Gesamt-Score. verknüpft diese drei KPIs zu
allen Stellen des Abdeckungs- wie sie für ein 5G-Fabriknetz Das Verfahren ist in dieser einem Interaktivitäts-Score.
bereichs die Mindestanfor- gefordert sind. Für präzise Form neu und wurde zur Stan- Dieser repräsentiert ein ska-
derungen erfüllen. Ein neues Messungen ist es ungeeignet. dardisierung vorgeschlagen. lierbares QoE-Modell, das auf
in der Smartphone-basierten verschiedene Anwendungsklas-
QualiPoc-Android-Software Das QualiPoc-Smartphone sen zugeschnitten werden kann.
Ein besseres Verfahren basiert
implementiertes Verfahren sendet über das UDP-Trans- Bild 2 zeigt den Score-Verlauf
auf dem Protokoll TWAMP
macht entsprechende Mess- portprotokoll einen Strom für beispielhafte Anwendungs-
(Two Way Active Measure-
ungen einfach und verlässlich. von applikationsspezifischen fälle.
ment Protocol), das von der
Datenpaketen, die ein realis-
Internet Engineering Task
tisches Verkehrsprofil emulie-
Latenzzeiten werden traditio- Force spezifiziert wurde, um Die Software ist also nicht nur
ren, an einen TWAMP-fähigen
nell über Ping-Echos gemes- die Ende-zu-Ende-Performance für Versorgungsmessungen in
Server (TWAMP-Reflektor),
sen. Ping ist ein Bestandteil zwischen zwei Knoten eines der Fläche interessant, sondern
der ihn umgehend zurück-
des Internet Control Message IP-Netzwerks zu messen. Was für jede Echtzeitanwendung
schickt (Bild 1).
Protocol (ICMP), das zum TWAMP in einer Messappli- über Funk. Passende Profile
Austausch von Diagnose- und kation leistet, hängt stark von Aus den reflektierten Daten werden zusammen mit der ein-
Fehlermeldungen in Rechner seiner Implementierung ab. ermittelt die QualiPoc-Soft- schlägigen Industrie erarbeitet.
Bild 2: Interaktivitäts-Score für verschiedene Anwendungsklassen. Die S-förmige Kurve über der Latenzzeit durchläuft ein Band von Qualitätszonen, deren
Lage und Breite von Anwendung zu Anwendung variiert
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Messtechnik
Bild 3: Die Umgebung des funkvernetzten
Werks muss periodisch auf
Störaussendungen hin
untersucht werden, die
unter Umständen
von der eigenen
Installation ausgehen
bereich die geforderten Leistungsdaten Eine tiefer gehende Offline-Datenanalyse
erbringt. bieten Tools wie SmartAnalytics. Die Soft-
ware identifiziert Trends und Anomalien
Mit Netzwerk-Scannern (R&S TSMx6) mit Methoden des maschinellen Lernens
misst man flächendeckend über das ganze und weist rechtzeitig auf Fehlentwick-
Fabrikareal, wie viele verschiedene Netz- lungen hin, sodass präventiv Verbesse-
werk-Zugangspunkte mit gutem Empfangs- rungsmaßnahmen ergriffen werden können,
signalpegel (RSRP) und guter Qualität bevor der Fehlerfall tatsächlich eintritt.
(SINR) an jedem Ort empfangen werden
können. Wie oben schon erwähnt, ist eine Phase 5: Überprüfung der vorgeschrie
mindestens vierfache Redundanz wün-
benen Verträglichkeit mit der Außenwelt
schenswert.
Mit eingeschwungener Phase 4 ist der Auf-
QualiPoc Android kann die Echtzeitfähig- bauprozess abgeschlossen und das Netz
keit der Verbindung testen, indem es das operativ. Als Letztes bleibt sicherzustel-
emulierte Verkehrsverhalten, die Latenz- len, dass es die Lizenzbedingungen für pri-
messung und die Übertragungsqualität in vate Netzwerke einhält, die insbesondere
einem einzigen Interaktivitätstest kombi- fordern, dass Lecksignale außerhalb des
niert (s. Kasten). vorgesehenen Abdeckungsbereichs unter
den festgelegten Limits bleiben. Schließ-
Mit der Echtzeit-Optimierungssoftware
lich sollen potenzielle Nachbarn, die das
R&S SmartONE lassen sich die Mess-
gleiche oder ein benachbartes Frequenz-
ergebnisse unmittelbar visualisieren und
band nutzen, nicht gestört werden. Den
Problembereiche gezielt verbessern.
Nachweis hat der Fabrikeigentümer zu
führen, der sich zu diesem Zweck einer
Phase 4: Überwachung der Dienstqualität Walk-Test-Lösung wie dem R&S Freeri-
Die Messungen der Phase 4 sind in der 4 oder einem an einer Drohne mon-
Fabriken notwendig, in denen das Funk- tierten Netzwerk-Scanner bedient (Bild 3).
netz eine kritische Infrastruktur darstellt,
deren Dysfunktion einen hohen Verlust Fazit
an Rentabilität und Produktivität bedeu- Die Umwandlung heutiger Fabriken in
ten würde. Der Fabrikeigner wird deshalb intelligente Fabriken wird in einigen Bran-
ein eng toleriertes Service Level Agree- chen schon bald zu einer kommerziellen
ment (SLA) mit seinem Netzbetreiber Notwendigkeit. Traditionell organisierte
abschließen – und kontrollieren wollen, Betriebe werden mit den Flexibilitäts- und
ob es auch eingehalten wird. Zu diesem Kostenvorteilen der neuen Fabrikgenera-
Zweck verteilt man speziell zugeschnit- tion nur noch schwer konkurrieren kön-
tene HF-Sonden überall in der Fabrik und nen. Einer ihrer Merkmale ist die voll-
in den AGVs (Automated Guided Vehicles) ständige Vernetzung der Betriebsmittel
und AMRs (Automatic Mobile Robots). über latenzarmen (5G-)Funk. Errichtung
Sie messen regelmäßig die Verbindungs- und Betrieb dieser Netze sind mit der
qualität inklusive der Latenzzeit an jeder passenden messtechnischen Begleitung
Position und melden die Ergebnisse an die kein Hexenwerk. Netzbetreiber finden im
Überwachungszentrale, wo sie auf einem Rohde&Schwarz-Portfolio alle dafür not-
Echtzeit-Dashboard visualisiert werden. wendigen Produkte. ◄
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