5G-Campusnetze: So funktioniert der Datenfunk für Fabriken und Forschung
Immer mehr Unternehmen und Hochschulen errichten 5G-Campusnetze. Was steckt dahinter? Im Handyhasen-Magazin erfährst Du es. (Bild/Montage: Nadine Hagemann)
Nutzt Du ein 5G-Smartphone an Deinem Arbeitsplatz in einer Firma oder Forschungseinrichtung, besteht die Chance, dass Du Dich dort in ein sogenanntes 5G-Campusnetz einwählen kannst. Dabei handelt es sich um ein privates Mobilfunknetz, das auf einem abgegrenzten Gelände schnelle Datenverbindungen ermöglicht.
Was ein 5G-Campusnetz genau ist, wem es nützt, welche Technik man dafür braucht und inwiefern Du es nutzen kannst, erfährst Du im Folgenden.
Was ist ein 5G-Campusnetz?
Ist derzeit von einem Campusnetz die Rede, handelt es sich dabei um ein lokales Datennetzwerk etwa in Fabrik- und Lagerhallen, Forschungszentren oder einzelnen Bürogebäuden. Beim aktuellen Ansatz kommt dabei nicht (W)LAN-Technik, sondern Mobilfunk zum Einsatz.
Die Funkzelle versorgt nur das jeweilige Gelände und ist für gewöhnlich nicht an das öffentliche Mobilfunknetz angeschlossen. Prinzipiell lässt sich so ein Netz mit dem älteren Mobilfunkstandard 4G/LTE aufbauen. Doch erst der fortschrittliche Nachfolgestandard 5G hat breites Interesse daran geweckt. Im Gegensatz zu LTE ermöglicht 5G mehr Datenpakete in gleicher Zeit und mit geringerer Verzögerung zuzustellen.
- Das macht 5G-Campusnetze besonders für datenintensive Anwendungen in der modernen Produktion und Forschung attraktiv.
Wirtschaftsunternehmen betrachten den Funkstandard als wichtigen Hebel, um ihr Geschäft mit datenbasierten Produkten, Diensten oder Fertigungsmethoden zu modernisieren. Weil sie bei neuen Firmennetzwerken auf 5G setzen, hat sich der Begriff des 5G-Campusnetzes zu einem wichtigen Schlagwort entwickelt.
Es gibt zwei wesentliche Anreize für Firmen und Forschungseinrichtungen, die Infrastruktur für ein Mobilfunknetz selbst zu betreiben und nicht stattdessen die öffentlichen 5G-Netze von Telekom, Vodafone, o2 und neuerdings 1&1 zu nutzen.
Zum einen können sie dadurch die Datenverbindungen besser davor schützen, dass ungewollt Betriebs- und Forschungsgeheimnisse nach außen dringen.
- Die genutzte Technik gehört nämlich ihnen und steht daher unter ihrer Kontrolle.
Zum anderen können sie einfacher sicherstellen, dass das Netzwerk für ihre Bedürfnisse genug Leistung liefert.
- Campusnetze erhalten exklusive Funkfrequenzen zugewiesen, die sie sich nicht mit der Kundschaft des normalen Mobilfunks teilen müssen.
Vielfach befinden sich solche 5G-Campusnetze erst in der Planungs- oder einer Probephase, seltener sind sie schon im aktiven Betrieb. Daher handelt es sich um ein Trendthema. Der Beweis der langfristigen Praxistauglichkeit steht noch aus.
Wer nutzt ein 5G-Campusnetz?
Zu den typischen Interessierten an einem 5G-Campusnetz gehören bisher große Konzerne und mittelständische Unternehmen der produzierenden Industrie, außerdem Häfen, Flughäfen und andere Akteure des Logistikbereichs sowie Hochschulen mit technischem Forschungsschwerpunkt.
Erst vereinzelt nutzen auch große medizinische Einrichtungen wie Kliniken welche. Das geht aus der Lizenznehmer-Liste der Bundesnetzagentur hervor.
Bei ihr müssen Betreiber von Campusnetzen die benötigten Funkfrequenzen beantragen.
- Bis zum Jahresbeginn 2024 erhielt die Bundesnetzagentur 376 Anträge und hat in 371 Fällen davon Frequenzen zugeteilt.
- Das sagt zwar nichts darüber aus, wie weit das jeweilige Netz schon errichtet ist, bietet aber einen Anhaltspunkt dafür, welche Branchen sich etwas von der 5G-Technik versprechen.
Prominente Unternehmen, die laut Bundesnetzagentur Funkfrequenzen für Campusnetze lizenziert haben, sind etwa Airbus, Audi, BMW, Bosch, Deutsche Bahn, Porsche, Huawei, Kuka, Mercedes-Benz, Miele, Siemens und Volkswagen. Auf den Messegeländen in Hannover und Köln sind Campusnetze ebenso ein Thema wie auf den Flughäfen in Frankfurt und Köln/Bonn, bei den Bavaria Filmstudios, in der Berliner Charité und im Leipziger Helios Park-Klinikum.
Zudem haben sich mehrere Dutzend Universitäten, Hochschulen und Forschungsinstitute der Fraunhofer-Gesellschaft aus dem gesamten Bundesgebiet lokale 5G-Funkfrequenzen gesichert. Die Technik nutzen sie aber vielfach gar nicht für den eigenen Betrieb, sondern um Anwendungen für die Wirtschaft zu erproben.
Wozu wird ein Campusnetz eingesetzt?
5G-Zellen können überall dort für ein „Netz der kurzen, schnellen Wege“ sorgen, wo viel Datenverkehr von und zu vielen Geräten zu managen ist und garantierte Zustellfristen von Datenpaketen für einen reibungslosen Betrieb wichtig ist.
5G kann mehr Daten pro Zeit transportieren als das ältere LTE und diese mit geringerer Latenz pünktlicher zustellen als WLAN.
Das macht ein 5G-Campusnetz für folgende Anwendungen attraktiv:
Campusnetze in der Produktion
Zunehmend werden in Fabriken Maschinen aus der Ferne gesteuert. Ihren Betriebszustand teilen sie anhand von funkvernetzten Sensoren mit. Die Steuerbefehle versenden und Messwerte erhalten Menschen über ein Datennetzwerk.
Damit das Bedienpersonal aus der Ferne rechtzeitig eingreifen kann, erfolgt der Datenaustausch möglichst verzögerungsfrei. Künftig sollen sich Maschinen viel umfassender als jetzt gegenseitig automatisiert steuern.
Anzeichen für ein drohendes Problem sollen sie melden, bevor es eintritt. Dann kann eine sogenannte vorausschauende Wartung eine kostspielige Reparatur vermeiden. Die Vernetzung von Produktionsanlagen, die Echtzeit-Fernsteuerung von Maschinen sowie deren Fernwartung sind die wichtigsten Anwendungsfälle des industriellen Internet of Things, auch Industrie 4.0 genannt, für das laut Digitalverband BITKOM hierzulande Unternehmen ein 5G-Campusnetz einsetzen oder aufbauen.
Fabriken digitalisieren ihre Steuerung zunehmend mit 5G-Mobilfunk. (Bild: Vodafone)
Campusnetze in der Logistik
Gabelstapler und andere Transportfahrzeuge holen und bringen ihr Gut in Lagerhallen immer öfter autonom von A nach B, also ohne Bedienpersonal. Sie planen und ändern Routen eigenständig zum Beispiel anhand ihrer Position im Verhältnis zu der anderer Fahrzeuge. Die verzögerungsfreie Übermittlung einer Vielzahl von sich ständig ändernden Koordinaten im Netzwerk ist für eine schnelle Routenanpassung entscheidend.
Bei Wechsel zwischen einem WLAN-Hotspot zum anderen müssen sich Roboterfahrzeuge kurz aus- und einwählen. Währenddessen bleiben sie kurz stehen. 5G-Zellen erlauben einen nahtlosen Wechsel, sodass ein ein plötzlicher Stopp und eine dadurch womöglich entstehende Blockade entfällt.
Campusnetze und Push-to-Talk
Zwar steht bei 5G-Campusnetzen die Datenübertragung im Fokus, doch auch Sprechfunk lässt sich damit realisieren. Dazu konfiguriert man Smartphones entsprechend, sodass sie über die lokale Mobilfunkzelle miteinander in Verbindung stehen können. Der Kontakt ist auf das jeweils definierte Gelände begrenzt und erlaubt keine Gespräche außerhalb des Campusnetzes.
Campusnetz und Drohnen
Die Funkreichweite zwischen Flugdrohnen und Controller ist mitunter zu gering, um ein weitläufiges Betriebsgelände damit zu überfliegen. Mit einem 5G-Mobilfunkmast als Vermittlungsstelle lässt sich der Aktionsradius deutlich vergrößern. Im auf Telekom-Technik basierenden Campusnetz des Hamburger Hafens steuert und überwacht auf diese Weise ein zentraler Leitstand eine Flotte von Industrie-Drohnen.
Mithilfe von 5G-Mobilfunk der Telekom überwacht eine Drohne den Hamburger Hafen. (Bild: Telekom)
Campusnetze und AR / VR
Auf Brillen für Augmented Reality oder Virtual Reality lassen sich via Netzwerk Infos einblenden, die Fachkräften helfen, komplexe Aufgaben zu erledigen. Dabei kann es sich um die Reparatur von Maschinen aber auch medizinische Operationen handeln.
Die Datenmengen sind oft hoch, das könnte aber auch die Bandbreite von WLAN bewältigen. Für Echtzeitergänzungen von Infos ist jedoch die niedrige Latenz des 5G-Funks von Vorteil. Bei Tumoroperationen an der Uni-Klinik Düsseldorf helfen Mixed-Reality-Brillen mit dreidimensional eingeblendeten Markierungen.
Gibt es während des Eingriffs neue Erkenntnisse, lassen sich die Daten umgehend ergänzen und via 5G-Campusnetz mit Vodafone-Technik auf die Brille laden.
Was ist mit einem 5G-Campusnetz nicht gemeint?
Bei 5G-Mobilfunk denkst Du womöglich ans Telefonieren, das Verschicken von SMS sowie WhatsApp-Nachrichten oder um den Aufruf des mobilen Browsers. Und bei einem Campusnetz kommt Dir vielleicht als Erstes der Zugriff auf E-Medien der Uni-Bibliothek in den Sinn.
Doch das ist nicht der Einsatzzweck der 5G-Campusnetze, die derzeit Unternehmen, Hochschulen und Kliniken aufbauen. Für den Zugriff auf das Intranet einer Organisation oder das normale Surfen im Internet sorgt weiterhin (W)LAN. Vorhandene Ethernetbuchsen und Wi-Fi-Router wird niemand zugunsten eines privaten 5G-Mobilfunknetzes abschaffen. Dieses wird die vorhandene Netzinfrastruktur stattdessen ergänzen.
Auch wenn Du Dir auf großen Festivals einen besseren Empfang wünschen magst, ist ein 5G-Campusnetz für den Festival-Empfang nur eine theoretische Option, aber nicht die derzeit favorisierte Lösung.
Zwar statten Netzbetreiber wie Telekom, Vodafone und o2 die großen Festivalgelände verstärkt mit 5G-Technik aus. Aber ihre zusätzlichen mobilen Sendemasten haben die Aufgabe, das Signal und den Datendurchsatz des öffentlichen Mobilfunknetzes zu verstärken. Es geht also nicht um ein privates Campusnetz. Gleiches gilt dann natürlich auch für den verbesserten Empfang im Stadion.
Welche Vorteile bietet ein Campusnetz?
Abgesehen von der Datenhoheit und der Anpassbarkeit eines lokalen Netzes sind schnelles Tempo, niedrige Latenzen und hohe Zuverlässigkeit von 5G die wichtigsten Vorteile.
Performance im 5G-Netz
Der 5G-Standard bietet eine höhere Bandbreite als LTE, kann also viel mehr Datenpakete gleichzeitig übertragen.
Die Latenz liegt im Idealfall unter 1 Millisekunde, dann ist vom Absenden bis zur Zustellung des Datenpakets keine Verzögerung bemerkbar. Mit diesem Reaktionstempo können LTE und auch WLAN nicht mithalten. Es lassen sich feste Fristen definieren, innerhalb derer die Daten von Sensorsignalen und Steuerbefehlen ankommen müssen.
- Das ist wichtig, damit ein automatischer Fertigungsroboter umgehend stoppt, falls ein Mensch einen Gefahrenbereich betritt.
Zudem ermöglicht 5G einen nahtlosen Wechsel zwischen zwei Mobilfunkzellen (seamless handover). Das erleichtert den unterbrechungsfreien Betrieb von autonomen Fahrzeugen auf großen Geländen. Die Übergabe zwischen zwei WLAN-Hotspots erzwingt kurze Sendepausen.
Eine Vielzahl durcheinander funkender Geräte kann ein 5G-Netzwerk gut verkraften, WLAN wird dann instabil.
Für Tumoroperationen nutzt das Uni-Klinikum Düsseldorf AR-Brillen, die bei Bedarf per 5G-Mobilfunk neue dreidimensionale Markierungen einblenden und somit präzise Eingriffe vereinfachen. (Bild: Vodafone)
Datensicherheit
Ein 5G-Campusnetz ist grundsätzlich strikt vom öffentlichen Netz getrennt. Dadurch lässt sich rein schon auf Netzwerkebene ein Zugriff von außen ausschließen. Nur auf Wunsch wird es mit dem lokalen Intranet oder dem Internet verbunden.
Die Zugriffskontrolle ist dann aber immer noch hoch. Die Einwahl erfordert spezielle SIM-Karten oder eSIM-Profile. Die unerwünschte Weitergabe ist viel unwahrscheinlicher, als dass ein WLAN-Passwort ungewollt in unbefugte Hände gerät.
Verfügbarkeit und Anpassbarkeit
Die Kapazitäten eines 5G-Campusnetzwerks können Unternehmen und andere Organisationen auf den Bedarf genau anpassen. Weil planbar ist, wie viele Geräte und Menschen das Netz nutzen, lässt sich Puffer für einen robusten Betrieb reservieren.
Die Mobilfunkmasten nutzt niemand anderes. Die von der Bundesnetzagentur zugewiesenen Frequenzen sind exklusiv für das Campusnetz vorgesehen.
Die dafür erhältlichen Funkfrequenzbänder von 3,7 bis 3,8 Ghz ermöglichen eine sehr hohe Bandbreite von 2 bis 10 Gbit/s oder mehr. Zudem lassen sich die Funkressourcen des Netzes priorisieren (Network slicing). Das macht es sehr wahrscheinlich, dass immer genügend Datendurchsatz für die jeweils benötigte Anwendung verfügbar ist – gute vorherige Planung vorausgesetzt.
Was braucht man für ein 5G-Campusnetz?
Ein 5G-Campusnetz zu betreiben, setzt Hard- und Software für die Netzinfrastruktur und lizenzierte Funkfrequenzen voraus. Wer nicht im eigenen Haus die Expertise hat, braucht zudem einen Dienstleister für Aufbau, Einrichtung, Administration und Wartung des Netzes. Zudem muss man sich zum Beginn für einen Infrastrukturansatz entscheiden. Davon hängt der weitere technische Bedarf ab.
Drei Ansätze für die 5G-Campusnetzarchitektur
Ein isoliertes Campusnetz ist komplett vom herkömmlichen Mobilfunknetz getrennt. Es gibt keine Verbindung nach außen. In puncto Datenhoheit ist das die konsequenteste Wahl. Wegen der unmittelbaren geographischen Nähe lässt sich das Maximum an niedrigen Latenzen für Echtzeitanwendungen ausreizen. Aber für die Netzabdeckung großer Gelände braucht es genügend eigene Hardware.
Ein hybrides Campusnetz oder auch Dual-Slice-Campusnetz besteht aus einem privat betriebenen Teil und einem, der Zugriff auf das reguläre 5G-Netz eines der großen Mobilfunkanbieter hat. Ersterer Teil ist dann für die sicherheitskritischen, internen Anwendungen reserviert, letzterer dient dazu, nach außen mit Geschäftspartnern oder Zulieferern zu kommunizieren. Bei dieser Aufteilung reduziert sich der Bedarf eigener Hardware.
Als dritten Ansatz bietet Vodafone ein Campusnetz auf Basis des regulären 5G-Netzes an. Dabei reserviert der Anbieter einige der örtlichen Mobilfunkkapazitäten exklusiv für das private Campusnetz. Wer das bucht, muss keine eigenen Mobilfunkmasten errichten. Weil die gemieteten Sendemasten womöglich etwas weiter entfernt sind, können die Latenzen steigen.
Technikkomponenten
Für den Aufbau einer Netzinfrastruktur brauchen Campusnetzbetreiber mehrere technische Komponenten. Als Bedarf für ein kleines transportables Setup zu Probezwecken nennt das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen eine Basisstation mit Software für das Kernnetz sowie eine Antenne mit einer Funkeinheit.
Damit lässt sich eine Funkzelle mit einer Netzabdeckung von mehreren hundert Metern aufbauen. 5G-fähige Smartphones sowie 5G-Modems für andere Geräte kommen obendrauf. Die Autorisierung erfolgt über spezielle SIM-Karten oder eSIM-Profile. Die Software läuft auf einem lokalen Rechner.
Bei größeren Installationen erledigen das Netzwerkserver in Form von Serverschränken. Außer mehr Servern sind dann womöglich weitere Antennen für mehr Funkzellen und viel mehr Software für diverse Dienste zur Netzkonfiguration nötig.
Kosten eines 5G-Campusnetzes
Ausgaben entstehen außer für die nötige Technik auch für die Funklizenzen und für interne Arbeitszeit oder externe Dienstleistungen. Konzeption, Einrichtung und Administration können zeitintensiv sein und Spezialwissen erfordern.
Das günstigste sind die Lizenzen. Mit einem Sockelbeitrag von 1.000 Euro geht es los. Abhängig von der Geländegröße, der benötigten Bandbreite und der gewählten Lizenzlaufzeit von bis zu zehn Jahren kommen ein paar hundert oder wenige Tausend Euro dazu. Für die Berechnung verwendet die Bundesnetzagentur eine Gebührenformel. Eine Beispielrechnung bietet das Spezialportal 5G-Anbieter.info.
- Demnach zahlt eine Firma, die 60 MHz Bandbreite für 10 Jahre und 20.000 Quadratmeter Firmenfläche benötigt, 4.600 Euro Lizenzgebühren.
Die Lizenzen können Firmen selbst beantragen. Auf Wunsch übernehmen Dienstleister, die auch die Netztechnik beschaffen und den Aufbau erledigen, dies gleich mit.
Solche Komplettpakete haben außer den Netz-Riesen Telekom, Vodafone und o2 auch kleinere Spezialanbieter in petto. Je nach Umfang ist laut 5G-Anbieter.info mit einem sechs- bis siebenstelligen Euro-Betrag zu rechnen. Einfache Starterkits seien ab 75.000 Euro zu haben.
Kannst Du Dein Smartphone mit einem 5G-Campusnetz verbinden?
Als Beschäftigter einer Hochschule, eines Forschungsinstituts oder eines Unternehmens kommst Du derzeit im Normalfall nur mit dem 5G-Campusnetz in Berührung, wenn Du an einem der professionellen Einsatzzwecke beteiligt bist. Eine ungewollte Einwahl in das private Mobilfunknetz ist ohne vorherige Autorisierung ausgeschlossen. Denn dafür braucht Dein Smartphone ein spezielle, für das Netz freigegebene SIM-Karte oder ein entsprechendes eSIM-Profil.
Selbst, wenn Du Zugang zum 5G-Campusnetz erhältst, ist nicht garantiert, dass Dein Smartphone darin funktioniert. In Campusnetzen kommt die Funkstandardvariante 5G Standalone (5G SA) zum Einsatz. Noch nicht alle Smartphones unterstützen dies. Auch das Zusammenspiel mit den speziellen, für private Netze gedachten SIM-Karten, scheint fehleranfällig zu sein. Das ergab ein Kompatibilitätstest in den 5G-Campusnetzen der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg und der Uni Köln aus dem Jahr 2022 – einer ersten Hochphase dieses Netzwerktrends.
Als unkomplizierter erwiesen sich im Test 5G-Modems in Form von Steckkarten für Notebooks sowie 5G-Industrierouter, die andere Endgeräte via LAN oder WLAN Zugriff auf das 5G-Campusnetz gewähren. Ob Du Dich mit dem Smartphone über diesen Umweg oder gar nicht in das private Netz einwählen kannst, wirst Du also im Einzelfall erfragen müssen.
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