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Der Weg zum eigenen 5G-Netz

12. November 2020, 09:30 Uhr   |  Thilo Döring

Der Weg zum eigenen 5G-Netz
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Die Anwendungsfälle des neuen Mobilfunkstandards 5G sind vielfältig. Sie reichen von der Fabrikautomatisierung über autonome Fahrzeuge und die Landwirtschaft bis hin zu Häfen und Flughäfen. Doch wie viel kostet ein 5G-Campusnetz? Was muss ich sonst noch beachten?

Vor einigen Jahren war die Skepsis in Bezug auf kabellose Kommunikation in industriellen Anwendungen noch groß. Heute jedoch ist man sich weitgehend einig: Industrie 4.0 lässt sich in vollem Umfang nur mit kabelloser Kommunikation umsetzen. Allerdings werden bisherige Technologien den Anforderungen in Bezug auf Zuverlässigkeit, Bandbreite, Echtzeitverhalten oder Kapazität in vielen Anwendungen nicht gerecht.

5G verspricht hier Abhilfe. Seit November 2019 kann man in Deutschland bei der Bundesnetzagentur Lizenzen für private Campusnetze beantragen. Auch in den USA, Großbritannien, Frankreich und Japan besteht die Möglichkeit, private 5G-Netze zu nutzen. Aber: Wie beantragt man lokale 5G-Campus-Netzwerke? Was kostet das? Wie sieht es mit der Kommunikationsinfrastruktur und der benötigten Hardware aus? Und nicht zuletzt: Wem nutzt der Einsatz dieser Kommunikationsnetze überhaupt?

In der finalen Ausbaustufe verspricht 5G für die Automatisierungsbranche die Möglichkeit für kabellose Echtzeitanwendungen. Dabei machen verschiedene Anwendungsprofile die optimale Nutzung von 5G in unterschiedlichen Einsatzfällen möglich: Mit Enhanced-Mobile-Broadband (eMBB) werden Spitzendatenraten über 10 Gb/s möglich. Ultra Reliable-Low-Latency-Communication (URLLC) unterstützt Latenzzeiten unter einer Millisekunde und bietet eine Verfügbarkeit von über 99,999 Prozent, also in zehn Jahren gerade mal eine Stunde Stillstand. Mit massive Machine-Type-Communication (mMTC) lassen sich batteriebetriebene Geräte über zehn Jahre betreiben und bis zu einer Million Geräte pro Quadratkilometer anbinden (Bild 1).

HMS Industrial Networks, 5G
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Bild 1: Vorteile von 5G im Überblick

All diese Vorteile können Unternehmen nun auf dem eigenen Gelände in privaten 5G-Netzen nutzen, wenn sie dazu die passenden Lizenzen erwerben. Diese Campusnetze schaffen Raum für die intelligente Fabrik der Zukunft. Die Skepsis, die mit der Nutzung eines Fremdnetzes einhergehen, fällt mit dem privaten Netz endgültig weg.

Was kostet 5G?

Seit dem 21. November 2019 können Frequenzen für lokale Anwendungen beantragt werden. Die Bundesnetzagentur stellt die Antragsformulare dazu auf ihrer Webseite bereit. Die Ausgaben setzten sich im Wesentlichen zusammen aus den einmaligen Kosten für die Frequenzzuteilung, laufende Frequenznutzungsbeiträge, Planung und Aufbau der Kommunikationsinfrastruktur, also Anschaffung der notwendigen Hardware sowie den Kosten, die für Instandhaltung und Betrieb des 5G-Netzes entstehen. Dabei berechnet sich die einmalige Gebühr für die Frequenzzuteilung nach folgender Formel:

Lizenzgebühr =
1000 + B · t · 5 · [(6 · a1) + a2].

In die Formel gehen ein die beantragte Bandbreite B (zwischen 10 MHz und 100 MHz), der Zeitraum t, für den die Frequenz beantragt wird, sowie die Fläche a in Quadratkilometern, auf der das private Netz genutzt werden soll. Zuteilungsgebiete auf Siedlungs- und Verkehrsflächen – in der Regel also die dicht besiedelten Gegenden und Industriegebiete – fallen unter a1 und werden mit dem Faktor 6 gewichtet, sonstige Flächen unter a2. So wird die Anschaffung beispielsweise auch für Land- und Forstwirtschaft attraktiv. Konkret bedeutet das beispielsweise: Wer in einer Siedlungs- und Verkehrsfläche 100 MHz für fünf Jahre und eine Betriebsfläche von 0,5 km² beantragt, zahlt dafür einmalig 8500 Euro.

Dazu kommen laufende Frequenznutzungsgebühren. Sie bestehen aus Frequenznutzungsbeiträgen gemäß §143 Abs. 1 TKG (Telekommunikationsgesetz) sowie Beiträgen gemäß §31 EMVG (Gesetz über elektromagnetische Verträglichkeit) und §35 FUAG (Gesetz über Bereitstellung von Funkanlagen auf dem Markt). Diese Gebühren werden rückwirkend auf ein Jahr erhoben und die Höhe wird nach der jeweils geltenden Frequenzschutzbeitragsverordnung bestimmt. Bislang gelten die Werte ähnlicher Nutzergruppen aus dem Vorjahr als Orientierungswert.

Dazu kommen die Kosten für Planung, Anschaffung und Errichten der eigenen Kommunikationsinfrastruktur, die im Wesentlichen von der Größe des Campus sowie der jeweiligen Anwendung bestimmt werden. Wie beim Betrieb kabelgebundener Netzwerke sind natürlich auch noch Kosten für Instandhaltung des Kommunikationsnetzwerkes einzuplanen.

Planung und Hardware für private 5G-Netze

Bei der Planung privater Campusnetze unterstützen entsprechende Planungsfirmen und Systemintegratoren. Sie klären unter anderem den realen Bedarf, helfen bei der Antragsstellung, sorgen dafür, dass das Netz den Vorgaben der Bundesnetzagentur gerecht wird und übernehmen den praktischen Aufbau. Ericsson befasst sich bereits seit einiger Zeit mit dem Thema privater Campusnetze auf 5G-Basis. Um interessierte Unternehmen in vollem Umfang unterstützen zu können, hat es ein Partnerportal aufgebaut. Diese Partner helfen sowohl beim Aufbau der Kommunikationsinfrastruktur auf dem Firmengelände als auch bei der Umsetzung von 5G-Kommunikation für die einzelnen Maschinen und Anlagenteile. HMS Industrial Networks beispielsweise ist zertifizierter Partner für Produkte zur Kommunikation im Bereich Fabrikautomatisierung.

HMS Industrial Networks, 5G, Anybus Wireless, Anybus Bolt
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Bild 2: Der Router Anybus Wireless (im Bild oben) von HMS Industrial Networks erleichtert Anlagen- und Maschinenbauern die Integration von 5G-Kommunikation. Der Anybus Bolt (darunter) ist ein kompaktes Funk-Gateway.

Um Maschinenbauern die Integration von 5G so einfach wie möglich zu machen, unterstützt das Unternehmen mit Beratung und passenden Komponenten. Die Router vom Typ Anybus Wireless werden derzeit für LTE und WiFi angeboten, eine 5G-Variante ist in Planung (Bild 2). In der Proof-of-Concept-Phase sind momentan der Wireless Bolt, ein Funk-Gateway für den direkten Maschinenzugriff via 4G/5G. Gleiches gilt für Switches, mit denen sich Maschinen direkt ans 5G-Netz anbinden lassen.

Auch Bridges für eine kabellose Profinet- und Profisafe-Nutzung über 5G sind in Arbeit. Interessant sind diese Lösungen sowohl für Unternehmen, die bestehende Anlagen fit für die Zukunft machen wollen als auch, wenn beim Bau neuer Standorte auf zukunftsfähige Kommunikationstechnik gesetzt werden soll.

Vorteile im praktischen Einsatz

Als Anwendungsszenario wird klassischerweise die Fabrikautomatisierung mit modularen, flexiblen Arbeitszellen oder fahrerlosen Transportsystemen genannt, aber viele andere Bereiche werden nicht zuletzt dank der Kostenstruktur für die Lizenzzuteilung von 5G profitieren. So kann beispielsweise die Land- und Forstwirtschaft nun auf moderne Technologien setzen, die bislang nicht nutzbar waren. Das gilt unter anderem für die Milcherzeugung und die Tierhaltung. Im Ackerbau lassen sich im Zusammenhang mit Precision-Farming jede Menge Informationen bei Aussaat und Ernte ermitteln, die Optimierung für den weiteren Anbau ermöglichen. Mögliche Fragestellungen sind: Wo muss mehr Dünger ausgebracht werden? Wo darf es weniger sein? Und auch der Einsatz autonomer Fahrzeuge wird damit möglich. Insgesamt könnten hier die privaten Campusnetze nicht nur für die Landwirte Vorteile bringen, sondern auch für das Tierwohl und den Umweltschutz.

Weitere Einsätze finden sich in Containerhäfen. Auf riesigen Geländen werden jede Menge Waren umgeschlagen. Die dabei anfallenden Daten übersteigen die Kapazität bisheriger kabelloser Kommunikationsnetze. 5G ermöglicht nun eine zuverlässige, sichere, kabellose Kommunikation zwischen Kränen, Containern, Fahrzeugen und Mitarbeitern. Ähnliches gilt für Flughäfen und die dort eingesetzten Vorfeldfahrzeuge.

Und natürlich bietet die Prozessindustrie jede Menge Einsatzgebiete, man denke nur an die großen Betriebsgelände von Ölraffinerien oder Chemieparks. Sie profitieren davon, dass 5G ein durchgängiges Kommunikationsmedium sowohl für Indoor- als auch für Outdoor-Anwendungen ist.

Sicher werden langfristig nicht alle Kabel aus der automatisierten Produktion verschwinden. Wie wenige in einigen Jahren übrig sein werden, ist letzten Endes auch eine Frage, die Unternehmen individuell abhängig von ihrem Anwendungsfall klären müssen.

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