Private 5G meets Time-Sensitive Networking: ein Game Changer für die Industrie.

Das Aufkommen der 5G-Technologie hat die Art und Weise, wie wir kommunizieren und mit der Technologie interagieren, revolutioniert. Eine der vielversprechendsten Entwicklungen in diesem Bereich ist die Kombination privater 5G-Netze mit zeitabhängiger Vernetzung(Time-Sensitive Networking, TSN). Diese leistungsstarke Kombination wird einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise herbeiführen, wie die Industrie arbeitet, und neue Möglichkeiten für Automatisierung, Echtzeitkommunikation und verbesserte Sicherheit eröffnen. In diesem Blogbeitrag werden wir einen genaueren Blick darauf werfen, was private 5G und TSN sind, und untersuchen, wie ihre Integration das Spiel für die Industrie verändern wird. Außerdem gehen wir auf einige der wichtigsten Vorteile ein, die diese Technologie mit sich bringen kann, und untersuchen einige der Anwendungsfälle, in denen sie bereits zum Einsatz kommt.

Zurück zu den Grundlagen: Was sind Private 5G und TSN?

Um zu verstehen, warum dies für die Branche einen solchen Umbruch bedeutet, muss man wissen, was hinter dem privaten 5G und TSN steckt. 

Alles, was Sie über privates 5G wissen müssen

Private 5G-Netze beziehen sich auf drahtlose Netzwerke, die sich im Besitz einer einzigen Organisation oder Einrichtung befinden und von dieser betrieben werden, anstatt wie bei öffentlichen 5G-Netzen von mehreren Nutzern gemeinsam genutzt zu werden. Private 5G-Netze werden häufig von Unternehmen oder Organisationen genutzt, die ein hohes Maß an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung für ihre Kommunikation gewährleisten müssen, und können für ein bestimmtes Gebiet oder einen bestimmten Standort eingerichtet werden. Technisch gesehen können Sie ein privates 5G-Netz einrichten, das von mehreren Nutzern gemeinsam genutzt wird, z. B. auf einem Flughafen. Private 5G-Netzwerke können Organisationen, die ein hohes Maß an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung für ihre Kommunikation gewährleisten müssen, mehrere Vorteile bieten. Einige potenzielle Vorteile privater 5G-Netzwerke sind:

1. Sicherheit: Im Vergleich zu öffentlichen Netzen bieten sie mehr Sicherheit, da sie nicht mit anderen Nutzern geteilt werden und so konfiguriert werden können, dass sie spezifische Sicherheitsanforderungen erfüllen. Dies kann besonders für Unternehmen wichtig sein, die mit sensiblen Daten umgehen oder strenge Sicherheitsvorschriften einhalten müssen.
2. Zuverlässigkeit: Private 5G-Netze können so konzipiert werden, dass sie bestimmte Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen. Sie können so konfiguriert werden, dass bestimmte Arten von Datenverkehr priorisiert werden oder dass kritische Anwendungen Zugang zur erforderlichen Bandbreite haben.
3. Leistung: Diese Netze bieten ein hohes Leistungsniveau mit geringen Latenzzeiten und hohen Geschwindigkeiten, was für Anwendungen, die Echtzeitkommunikation oder Datenübertragung erfordern, von entscheidender Bedeutung ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass private 5G-Netzwerke Unternehmen einen sicheren und zuverlässigen Weg zur Kommunikation und Datenübertragung bieten, mit der zusätzlichen Flexibilität und Kontrolle, die der Betrieb einer eigenen Netzwerkinfrastruktur mit sich bringt.

Alles, was Sie über zeitabhängige Netzwerke (TSN) wissen müssen

Um über zeitabhängige Netzwerke zu sprechen, müssen wir zunächst über Ethernet sprechen. Während sich die Ethernet-Geschwindigkeit im Laufe der Zeit verbessert hat, ist der Determinismus ein weiterer entscheidender Faktor für die Leistung. Deterministische Netze übertragen Daten präzise mit einer bestimmten Latenzzeit, während Ethernet, das auf dem "Best-Effort"-Prinzip basiert, keinen Determinismus aufweist. Derzeit ist deterministisches Ethernet nur durch proprietäre Lösungen verfügbar, aber Time Sensitive Networking (TSN) zielt darauf ab, Ethernet von vornherein deterministisch zu machen. TSN bezieht sich auf eine Reihe von IEEE 802-Standards, die Ethernet standardmäßig deterministisch machen. TSN ist eine neue Technologie, die auf der Schicht 2 des ISO/OSI-Modells angesiedelt ist. Sie fügt Definitionen hinzu, um Determinismus und Durchsatz in Ethernet-Netzwerken zu garantieren

Der nächste Schritt ist das drahtlose TSN, eine Reihe von Normen und Technologien, die Echtzeitkommunikation über ein Netz ermöglichen. TSN stellt sicher, dass zeitkritische Daten innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens übertragen und empfangen werden, und wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen geringe Latenzzeiten und hohe Zuverlässigkeit unerlässlich sind, z. B. in der industriellen Automatisierung, im Verkehrswesen und im Gesundheitswesen.

Private 5G-Netze mit TSN-Technologie können besonders in Branchen nützlich sein, in denen ein hohes Maß an Koordination und Kontrolle erforderlich ist, z. B. in der Fertigung oder im Transportwesen.

Business Case: Nutzung und Bereitstellung von privatem 5G und TSN mit Profinet

Die intelligenten Produktionssysteme sind auf eine unternehmensweite Kommunikation angewiesen. Für industrielle Anwendungsfälle müssen diese Kommunikationsnetze bestimmte Anforderungen erfüllen. Insbesondere müssen sie eine hohe Verfügbarkeit, einen hohen Durchsatz, eine Übertragung in Echtzeit, eine geringe Latenz und einen niedrigen Jitter gewährleisten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden verschiedene Kommunikationstechnologien eingeführt, z. B. Ethernet-basierte Lösungen wie Profinet.

Profinet ist ein weit verbreitetes industrielles Kommunikationsprotokoll, das auf Ethernet basiert. Es wird hauptsächlich für die Verbindung von industriellen Automatisierungsgeräten wie speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), Sensoren und Aktoren in Fertigungs- und Prozesssteuerungsumgebungen verwendet. Einer der Hauptvorteile von Private 5G und TSN für Profinet ist, dass es die Integration von Echtzeit-Steuerungs- und Informationssystemen im selben Netzwerk ermöglicht. Dies kann zu erheblichen Kosteneinsparungen und höherer Effizienz in industriellen Umgebungen führen.

Die gute Nachricht ist, dass die Benutzer von Profinet nichts tun müssen, um sich auf den Wechsel zu drahtlosem TSN vorzubereiten. Da es auf einem weit verbreiteten kommerziellen Standard wie Ethernet aufbaut, kann Profinet die Entwicklung zu höheren Geschwindigkeiten und anderen Funktionen wie TSN mitmachen. Wenn die Zeit reif ist, wird Profinet es genauso nutzen, wie es heute Standard-Ethernet nutzt.

Ein Beispiel für einen industriellen Anwendungsfall für Profinet sind Bewegungssteuerungssysteme. In herkömmlichen Bewegungssteuerungssystemen werden die Geräte an ein separates Echtzeit-Steuerungsnetz angeschlossen, um eine deterministische Kommunikation zu gewährleisten. Mit Profinet können Bewegungssteuerungsgeräte an dasselbe Netzwerk wie andere Automatisierungsgeräte angeschlossen werden, wodurch die Notwendigkeit eines separaten Netzwerks entfällt und die Kosten gesenkt werden.

Ein weiteres Beispiel ist die Energieerzeugung: Profinet kann zur Synchronisierung der Kommunikation zwischen Windturbinen und zwischen der Windturbine und dem Netz verwendet werden.

Neben Kosteneinsparungen und erhöhter Effizienz kann TSN auch die Gesamtleistung industrieller Systeme verbessern, indem es eine schnellere und genauere Steuerung von Geräten ermöglicht. Die Zeitsynchronisierungsfunktionen von TSN eignen sich gut für Anwendungen, die eine präzise Koordinierung zwischen mehreren Geräten erfordern, z. B. in der Robotik und der industriellen Automatisierung, wo Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsbewegungen mehrerer Roboterachsen für einen reibungslosen, effizienten und fehlerfreien Betrieb erforderlich sind.

Eine neue drahtlose Welt, die unendliche Möglichkeiten eröffnet

Mit privaten 5G-Netzwerken kann die Industrie ihren Betrieb in eine drahtlose Welt verlagern. Die Verwendung eines drahtlosen zeitabhängigen Netzwerks (TSN) hat gegenüber einem Ethernet-basierten Netzwerk in industriellen Umgebungen mehrere Vorteile:

• Erhöhte Flexibilität: Drahtlose Netze benötigen keine physischen Kabel, was sie flexibler und einfacher zu installieren und neu zu konfigurieren macht. Dies kann besonders in industriellen Umgebungen von Vorteil sein, in denen Geräte und Prozesse häufig geändert oder verschoben werden.
• Verbesserte Zuverlässigkeit: Drahtlose Netzwerke mit privater 5G-Technologie sind weniger anfällig für Ausfälle aufgrund von Kabelschäden oder Unterbrechungen. Dies kann die Gesamtzuverlässigkeit des Systems verbessern und die Ausfallzeiten im Falle eines Netzausfalls verringern.
• Geringere Installationskosten: Da drahtlose Netzwerke keine physischen Kabel benötigen, können die Installationskosten niedriger sein als bei Ethernet-basierten Netzwerken. Dies kann besonders in großen oder komplexen industriellen Umgebungen von Bedeutung sein.
• Verbesserte Mobilität: Ein drahtloses TSN kann die Kommunikation zwischen Geräten ermöglichen, die in Bewegung sind, wie z. B. FTS, mobile Roboter oder tragbare Werkzeuge, die sich in der Fabrik bewegen können.
• Größere Skalierbarkeit: Ein drahtloses TSN kann bei Bedarf leicht erweitert werden, um mehr Geräte zu unterstützen, und kann einen größeren Bereich abdecken als ein Ethernet-basiertes Netzwerk, was besonders für große Industrieumgebungen nützlich ist.

Wenn private 5G auf zeitkritische Netze trifft, ermöglicht dies eine effizientere und sicherere Art der Datenverwaltung. Zeitsensitive Netze bieten die notwendige Dienstqualität für zeitkritische Anwendungen, indem sie Netzressourcen dynamisch verwalten, während private 5G dazu beiträgt, die Reaktionszeit zu verbessern und Unterbrechungen zu vermeiden. Genau das ist mit dem stic5G-Konsortium (Safe TSN for Industrial-Grade Real-Time Campus 5G) geschehen. Airbus wird die Ergebnisse nutzen, um seine interne Produktionslinie zu verbessern. Durch die Konvergenz von IT und OT sowie durch die höhere Konnektivität wird eine steigende Effizienz erwartet, ohne zusätzliche Verkabelung, PROFINET-fähige Netzwerkinfrastruktur (Switches, ...) und transparente Konnektivität für alle Maschinen.