Ob autonomes Fahren auf dem Vorfeld oder die videogestützte Kontrolle von Flughafeneinrichtungen durch Roboter und Drohnen – ein eigenes 5G-Netz auf dem über 20 Quadratkilometer großen Areal des Flughafens Frankfurt soll solche Zukunftsprojekte Realität werden lassen. Der Airport-Betreiber Fraport arbeitet gemeinsam mit dem IT-Dienstleister NTT an Europas größtem privaten 5G-Netz, einem Campus-Netzwerk.

Klassische Vernetzungsmethoden, etwa via WLAN, reichen in vielen Fällen heute nicht mehr aus, um den Anforderungen moderner Unternehmen gerecht zu werden. Campus Area Networks (CANs) schaffen Abhilfe. Bei einem Campus-Netzwerk handelt es sich um ein Mobilfunknetz für ein definiertes Areal und für spezielle Anwendungen, das einem Unternehmen exklusiv zur Verfügung steht. „Campus-Netze sind dedizierte Netze, die Geschäftskunden in einem begrenzten, oft lokalen Abdeckungsgebiet eine ,private‘ Netzversorgung mit bestimmten Qualitätsmerkmalen – zum Beispiel Service Level Agreements – ermöglichen“, erklärt Niko Kalivianakis, Director Business Solutions bei O2 Telefónica. Dabei kommen, so Kalivianakis, verschiedene Architekturmodelle zum Einsatz – „das reicht von einem komplett isolierten Netz, das in die Kunden-IT integriert wird, bis hin zu Network-Slicing-Lösungen auf Basis der öffentlichen Netzversorgung.“

Campus Area Networks erlauben auf Basis des Mobilfunknetzes beispielsweise eine Vernetzung von Produk­tionsanlagen, ohne dass hierfür zusätzliche Kabel auf dem Gelände verlegt werden müssen. „Mobilfunknetze haben per Definition den Vorteil, dass sie für mobile Anwendungen geschaffen wurden. Damit können sich zum Beispiel fahrerlose Transportsysteme (FTS) unterbrechungsfrei auf dem Gelände bewegen. Darüber hinaus bietet der 5G-Standard Vorteile wie große Download-Raten und geringe Latenz“, unterstreicht Peyman Jazayeri, Head of Sales 5G Corporate Customers bei der Deutschen Telekom.

Im Vergleich zu WLAN-Netzen ermöglichen Mobilfunklösungen neben geringeren Latenzen höhere Reichweiten und vor allem stabilere Verbindungen. Hierfür werden  eigene Frequenzbereiche und Quality-of-Service-Mechanismen genutzt. Die Ausdehnung von Campus-Netzen ist üblicherweise auf rund zwei Kilometer begrenzt. Und, was für viele Unternehmen von besonderer Relevanz ist: Wenn die anfallenden Daten in Rechenzentren innerhalb des Unternehmensstandorts verarbeitet werden, dann brauchen diese das private Campus-Netzwerk nicht zu verlassen. Somit ist der Verbleib der Datenhoheit beim Unternehmen sichergestellt. „Anders als bei der Abdeckung über das öffentliche Mobilfunknetz laufen die Daten des Kunden in einem Campus-Netz physikalisch oder zumindest logisch und sicherheitstechnisch direkt in die Firmen-IT des Kunden“, unterstreicht Niko Kalivianakis.

Das Interesse an solchen Campus-Netzwerken ist laut Alexander Saul, Geschäftsführer Firmenkunden bei Vodafone, bei den Unternehmen branchenübergreifend groß, besonders im industriellen Umfeld: „Zum Einsatz kommen Campus-Netzwerke vor allem im Transport- und Logistikwesen sowie im produzierenden Gewerbe. Aber auch aus dem Gesundheitswesen und aus der Landwirtschaft erreichen uns viele Anfragen.“ Dort biete die 5G-Technologie eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Dazu gehörten die Vernetzung von Produktionsanlagen oder die Steuerung von Maschinen in Echtzeit. Auch mobile Roboter, autonom fahrende Transportsysteme oder AR- und VR-basierte Assistenzsysteme spielten eine wichtige  Rolle.

Die Anforderungen sind von Unternehmen zu Unternehmen sehr unterschiedlich. Für den Aufbau eines Campus-Netzwerks kommen daher verschiedene Gestaltungsvarianten in Betracht:

Im Prinzip darf jedes Unternehmen ein eigenes Campus-Netzwerk aufbauen. Hierfür muss lediglich eine entsprechende Funkfrequenz bei der Bundesnetzagentur beantragt werden. Diese geschützten Frequenzen stehen dann exklusiv und ohne Interferenzen den eigenen Anwendungen zur Verfügung. Die Bundesnetzagentur hat für Campus-Netze Frequenzen im Bereich von 3,7 bis 3,8 GHz reserviert. „Auf Antrag sollen den Interessenten nach heutigem Stand 100 MHz Bandbreite oder jeweils Blöcke daraus mit 10 MHz zugewiesen werden“, erklärt Alexander Saul. Die Frequenzen seien ausschließlich für räumlich begrenzte und öffentlich nicht zugängliche Kommunikationsdienste vorgesehen. Die Kosten für eigene Frequenzen werden entsprechend einer Formel der Bundesnetzagentur berechnet, die die Bandbreite sowie die Größe der zu versorgenden Fläche berücksichtigt.

Die Beantragung einer Funkfrequenz ist jedoch nicht in jedem Fall notwendig: Wer sich etwa für die Variante entscheidet, bei der per Network Slicing Kapazitäten im bestehenden Mobilfunknetz reserviert werden, der nutzt die vom Mobilfunkanbieter lizenzierten Frequenzen.

Laut Niko Kalivianakis von O2 Telefónica haben Funkwellen in dem von der Bundesnetzagentur ausgegebenen Frequenzspektrum einen verhältnismäßig kleinen Abdeckungsradius. Sollten die zu versorgenden Firmenareale größer sein, biete sich die ergänzende Nutzung von Frequenzen der Netzbetreiber an. „Das kann zu deutlichen Kostenersparnissen führen. Der Kunde muss keine oder deutlich weniger zusätzliche 5G-Campus-Netzinfrastruktur aufbauen, um weitläufige Firmengelände flächendeckend mit 5G zu versorgen“, so Kalivianakis.

Der neueste Mobilfunkstandard 5G wird von vielen als Heilsbringer in Sachen Internet of Things angesehen. Er soll alles Mögliche vernetzen und dabei andere Funkstandards in den Schatten stellen – mit schnellen Reaktionszeiten, hohen Datenübertragungsraten und vielen gleichzeitig unterstützten Geräten. Doch muss es tatsächlich immer 5G sein, reicht nicht oft eine Vernetzung zum Beispiel mit Narrowband-IoT (NB-IoT), einer Weiterentwicklung des Funkstandards LTE, aus?

„Jede Lösung hat ihre Berechtigung, je nachdem welche Anwendungen betrieben werden sollen“, betont Peyman Jazayeri von der Deutschen Telekom. Die 5G-Technologie nutze im Gegensatz zu WLAN ein lizenziertes Frequenzspektrum, was für die Quality of Service bei kritischen Anwendungen essenziell sei. Das Frequenzspek­trum von WLAN sei dagegen frei zugänglich und für jeden nutzbar. „Im Zuge der Digitalisierung werden immer neue Anwendungen und Lösungen in der Industrie entwickelt, die eine leistungsfähige Konnektivität benötigen, und 5G ist hier eine Schlüsseltechnologie mit Investitionssicherheit.“

Die Deutsche Telekom ist im Jahr 2018 bei ihrem ersten Kunden Osram mit einem Campus-Netz basierend auf der LTE gestartet. Das war vor der 5G-Standardisierung und die Frequenzen waren noch nicht versteigert. Deshalb hätten laut Jazayeri in der Vergangenheit Campus-Netze auf LTE-Basis Sinn ergeben. „Mittlerweile versorgt die Telekom bereits 94 Prozent der Maschinen in Deutschland mit 5G.“ Deshalb setze man künftig in der Regel auf 5G.

Niko Kalivianakis sieht durchaus weiterhin Einsatzzwecke für NB-IoT: „Narrowband-IoT ist eine sehr fortschrittliche Lösung für die energiesparende und kostengünstige ,Low Power Wide Area‘-Kommunikation“. Die Technik sei für geringe Datenmengen und hohe Reichweiten optimiert. In den meisten Anwendungsfällen von NB-IoT sei ein privates Netz nicht zwingend erforderlich. Wenn es bereits ein solches Netz gebe, würden die Anwendungen oft in das Campus-Netzwerk integriert.

Alexander Saul von Vodafone ergänzt, dass Narrowband-IoT sich insbesondere für Szenarien eigne, in denen mit wenig Energieaufwand ein geringes Datenvolumen übertragen wird – das könnten etwa präzise gesteuerte Straßenbeleuchtungen, dezentrale Luftqualitätsmessungen oder Lösungen für die Parkplatzsuche sein. „5G ist dagegen Grundlage für Echtzeitkommunikation, die schnelle Übertragung großer Datenmengen und Basis für Anwendungen im industriellen Umfeld oder in den Bereichen Augmented und Virtual Reality.“

Und wie sieht es mit dem WLAN aus? Die weitverbreiten Funknetze bieten mit Wifi 6 und Wifi 6E kostengünstig relativ hohe Übertragungsgeschwindigkeiten. Die Funknetze lassen sich zudem gut absichern. Auch existieren erste Mechanismen, die Unterbrechungen bei Bewegung zwischen mehreren Access-Points vermeiden.

Niko Kalivianakis weist allerdings darauf hin, Wi-Fi könne nicht für eine einzelne Verbindung garantieren, dass Qualitätsmerkmale wie Mindestbandbreite oder Latenz zu jedem Zeitpunkt eingehalten werden. „Bei steigenden Gerätemengen in einem WLAN verstärkt sich dieser Effekt dramatisch“, betont er. Insbesondere bei Bewegungen zwischen Funkzellen zeigten sich die Vorteile von 5G und die zugesicherten Qualitätsmerkmale. Viele Anwendungen der Digitalisierung wie die Automatisierung benötigten eine konstant hohe Zuverlässigkeit ohne Schwankungen, sodass sie sich nur mit 5G kabellos realisieren ließen.

Hinzu kommt laut dem O2-Telefónica-Director: „Durch die verschiedenen regulierten und geprüften Antennentechniken lassen sich größere Campus-Netzwerke zum Beispiel für Außenbereiche oder für komplexe Industrieanlagen oft deutlich günstiger realisieren als eine WLAN-Vernetzung.“ Die Vorteile der kurzen Latenz und hohen Bandbreiten vor allem bei Bewegung verbesserten die meisten Anwendungen deutlich. Das heißt, „viele Anwendungen funktionieren mit WLAN zwar, allerdings nur mit Einschränkungen. 5G hat diese Einschränkungen nicht und ist daher die bessere Wahl.“

Auch wenn man auf dem Firmengelände ein fortschrittliches und schnelles 5G-Campus-Netzwerk am Laufen hat – in vielen Fällen müssen die Daten weitergeleitet werden, zum Beispiel an ein Cloud-Rechenzentrum oder an eine andere Niederlassung des Unternehmens. Ergibt ein Campus-Netzwerk daher etwa bei einem Unternehmen auf dem flachen Land ohne flotte Glasfaseranbindung überhaupt Sinn?

Je nach Nutzungsziel können die im Campus-Netz zu transportierenden Daten auch lokal erzeugt und verarbeitet werden, sodass die Internetanbindung keine hohen Ansprüche erfüllen muss. Leistungsfähige Festnetzanbindungen wie Glasfaserleitungen können jedoch notwendig werden, wenn große Datenmengen etwa eines Digital Twins oder von Kameras in einer nicht lokalen Cloud-Anwendung verarbeitet werden sollen. Daher müssen Nutzungsziele, finanzieller Aufwand und die potenziell verfügbare Internetanbindung bei der Wahl des Netzarchitekturmodells mit berücksichtigt werden.

Peyman Jazayeri betont, dass es auch für Unternehmen im ländlichen Raum Campus-Netz-Lösungen gebe, „zum Beispiel indem das öffentliche Mobilfunknetz genutzt wird. So können auch Lösungen ohne eigenen Glasfaseranschluss umgesetzt werden.“

Das Unternehmen Bayer hat im August vergangenen Jahres ein 5G-Netz in einem Gewächshaus in Betrieb genommen. Auf einer Fläche von 11.000 Quadratmetern steht dem Chemie- und Pharmakonzern am Standort im nordrhein-westfälischem Monheim eine moderne Netz- und IT-Infrastruktur zur Ver­fügung, mit der in der Insektizid-Forschung effizienter und schneller neue Technologien getestet werden können. Unter anderem mithilfe von vollständig autonomen Robotern sowie per Künstlicher Intelligenz ausgewerteten digitalen Bildern und Videos will Bayer schneller neue Erkenntnisse zur Pflanzengesundheit gewinnen. Auf Basis automatisierter Prozesse und der Echtzeitverarbeitung großer Datenmengen sollen innovative Lösungen im Labor und im Gewächshaus, aber auch in der Produktion und im Feld entwickelt werden, um Industrie und Landwirtschaft nachhaltiger zu machen. Das Gewächshaus besteht aus 133 Kammern, in denen sich die verschiedensten Klimabedingungen simulieren lassen, wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Tageslängen, Temperaturverläufe und Luftfilterung. Dadurch können Versuche unter realistischen, naturnahen Bedingungen ablaufen. Aufgebaut wurde das 5G-Netz inZusammenarbeit mit Vodafone.

HHLA Sky, ein Spezialist für den Einsatz von Drohnen im industriellen Umfeld und Tochterunternehmen des Hamburger Hafenbetreibers HHLA, überwacht mit den unbemannten Luftfahrzeugen das Gelände des Hamburger Hafens. Die Industrie-Drohnen sind automatisiert unterwegs. Sie fliegen durch Container-Terminals im Hafen und erledigen unter anderem Inspektionsflüge, die aufwendige Rundgänge und Einsätze von Industriekletterern ersetzen. Das Flugareal umfasst mehr als drei Quadratkilometer. Die Steuerung und Überwachung der Drohnen erfolgt über einen zentralen Leitstand, von dem aus zum Beispiel der Ladezustand oder Motordaten überwacht werden können und das Live-Videobild in HD-Qualität empfangen wird. Der Kontakt mit den Fluggeräten wird über ein Campus-Netzwerk der Deutschen Telekom hergestellt.

Der Smart Rail Connectivity Campus (SRCC) ist eine 25 Kilometer lange Teststrecke der Erzgebirgsbahn. Die Technische Universität Chemnitz erforscht hier die Kommunikation, Automatisierung und Digitalisierung im Bahnverkehr der Zukunft. Vodafone stattete das Testfeld mit einem 5G-Campus-Netzwerk aus. Es ermöglicht Bandbreiten von mehr 500 MBit pro Sekunde und verringert die Latenzzeit, also die Verzögerung, mit der Daten übertragen werden, auf weniger als 10 Millisekunden. Wenn der Testzug des französischen Konzerns Thales beschleunigt, dann ist das Führerhaus leer. Der Zugführer sitzt mehrere Hundert Meter entfernt in einer Steuerzentrale. Auf zwei Bildschirmen hat er sowohl das Fahrerhäuschen als auch den fahrenden Zug im Blick. Aus einer originalgetreuen Steuerzentrale heraus lenkt er den Zug. Damit dieser ferngesteuert werden kann, kommt die 5G-Technik Network Slicing zum Einsatz, mit deren Hilfe sich verschiedene virtuelle Netzwerke eine physische Netzwerkstruktur teilen. Für das Testfeld wird ein separat zugeschnittenes 5G-Netz genutzt. So stehen für die Fernsteuerung des Zuges immer optimale Mobilfunk-Kapazitäten bereit, auch wenn zahlreiche Personen in der direkten Umgebung ebenfalls das Mobilfunknetz nutzen. Zudem werden die Daten unmittelbar vor Ort in einer Mobile Edge Cloud (MEC) verarbeitet.

Der Maschinenbauer Arburg aus dem baden-württembergischen Loßburg erprobt mithilfe eines 5G-Campus-Netzwerks die Kunststoffproduktion von morgen – etwa autonome Transportsysteme, industrielle Roboter oder automatisierte Prozesse. Wie eine solche Produktion aussehen kann, zeigt derHersteller von Maschinen für die Kunststoffverarbeitung in einem Kundencenter in der Firmenzentrale im Nordschwarzwald. Dort können Industriekunden unterschiedlichster Branchen, etwa der Automobil- und Verpackungsindustrie oder der Medizintechnik, digitale Fertigungs-Konzepte testen. Die Deutsche Telekom hat hierfür das Kundencenter mit acht speziellen Inhouse-Antennen ausgestattet, die die 2100 Quadratmeter große Fläche mit 5G versorgen.

Das Helios Park-Klinikum Leipzig betreibt das erste 5G-Standalone-Campus-Netzwerk in einem deutschen Krankenhaus. Die Planung und Implementierung des Netzes erfolgte mit einem Team von Helios, Iconec, Huawei und O2 Telefónica innerhalb von vier Monaten. Im Rahmen der Netzimplementierung musste besonderer Wert auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) gelegt werden. Dazu wurden ausgiebige Tests mit typischen Medizingeräten vor Ort durchgeführt, um etwaige Beeinträchtigungen auszuschließen. Das Funknetz versorgt aktuell rund 50 Räumlichkeiten, die sich auf zwei Gebäude verteilen. Ein Anwendungsfeld ist das Krankenhausbett: Hier werden Vitaldaten, Krankenakten und Informationen von medizintechnischen Geräten gesammelt, die in der Nähe aufgestellt sind.

Mit der Factory 56 im Werk Sindelfingen erprobt Mercedes-Benz die Autoproduktion der Zukunft. So lösen etwa in ausgewählten Fertigungsbereichen rund 300 fahrerlose Transportsysteme (FTS) das klassische Fließband ab. Möglich macht das Ganze das weltweit erste 5G-Netz für die Autoproduktion, das von Telefónica und dem Netzwerkausrüster Ericsson errichtet wurde.

Mit dem steigenden Flexibilitätsbedarf in Produktions- und Logistikhallen wächst auch die Zielgruppe für Campus-Netze. Zudem werden Produkte immer individueller. Das erfordert eine Echtzeitverarbeitung von Daten für Produkte und Maschinen.

„Der Markt beginnt gerade erst, sich zu entwickeln“, resümiert Alexander Saul von Vodafone. Vielerorts würden noch Pilotprojekte durchgeführt, bei denen Unternehmen verschiedenste Anwendungen testen, die sich die Vorteile von 5G zunutze machen sollen.

„Produktionshallen sollen sich kostengünstiger an neue Fertigungsgegebenheiten anpassen lassen, weshalb sich Firmen schrittweise der ,kabellosen Fabrik‘ nähern“, wie es Niko Kalivianakis formuliert. Zudem führe die fortschreitende Digitalisierung in anderen Bereichen dazu, dass immer mehr Unternehmen eine reaktionsschnelle und zuverlässige Funkkommunikation suchten, um beispielsweise Digital Twins einzusetzen und in Echtzeit die Collaboration von Personen und Robotern in ihre Abläufe zu integrieren. „Heute werden Campus-Netzwerke vor allem von Firmen eingesetzt, die von den nächsten Schritten der Digitalisierung und Automatisierung so schnell wie möglich profitieren möchten. Solche Firmen nutzen eigene 5G-Campus-Netze als Testumgebung. Dort erproben sie Lösungen und bereiten die nötigen Prozessanpassungen im eigenen Unternehmen vor.“ Zusätzlich gebe es Unternehmen, die schon heute in Campus-Netze investierten, weil die Infrastruktur-Modernisierung auf eine zukunftssichere Technik anstehe. „Aber die Möglichkeiten der 5G-Technologie werden erst jetzt in Innovationen umgewandelt. Daher stellen die heutigen Campus-Netze nur einen kleinen Teil der Netze dar, die wir in nächster Zeit sehen werden.“

Die Deutsche Telekom hat eigenen Angaben zufolge bereits mehr als 30 Campus-Netzwerke in Deutschland errichtet. Die Nachfrage sei nach wie vor hoch. Das unterstreichen auch die aktuellen Zahlen des Bitkom: Der Digitalverband befragte Ende vergangenen Jahres über 500 Industrieunternehmen ab 100 Beschäftigten in Deutschland. 26 Prozent dieser Unternehmen wollen demnach Campus-Netze mit 5G einrichten oder haben es schon getan – 7 Prozent planen in Eigenregie und 19 Prozent durch einen Mobilfunkanbieter.

„5G ist eine Schlüsseltechnologie für die Digitalisierung der Industrie. Sie sorgt für einen hohen Automatisierungsgrad, größere Flexibilität in der Logistik, höhere Effizienz sowie mehr Transparenz und Steuerbarkeit“, erklärt Nick Kriegeskotte, Leiter Infrastruktur und Regulierung beim Bitkom-Verband. In einem Campus-Netz als lokal begrenztem Funknetz eines Unternehmens ließen sich sensible Daten besonders schnell und sicher transportieren, weil die Daten das Werksgelände nicht verlassen müssten.