Potenziale der Open RAN Technologie für die Industrie 4.0

Individuelle Auslegung, dynamische Anpassung

Die digitale Transformation der Industrie erfordert zuverlässige Kommunikationsnetze, daher werden Industrie 4.0 und 5G häufig zusammen genannt. Der Ausbau der öffentlichen 5G-Netze schreitet stetig voran und die Verfügbarkeit wird immer besser. Sobald die Anforderungen an die Datensicherheit, Verfügbarkeit und weitere Qualitätsparameter steigen, kommt auch ein dediziertes 5G-Netz, ein Campusnetz, in Betracht.
 Ausgewählte Komponenten und Schnittstellen in einem 5G-Netz
Ausgewählte Komponenten und Schnittstellen in einem 5G-NetzBild: Fraunhofer-Institut IPK

Die Komplexität sowie die Fähigkeiten eines Campusnetzes sind über einen sehr weiten Bereich zwischen dem öffentlichen Netz und einem vollständig eigenen Netz skalierbar. Die Anbieter der öffentlichen 5G-Netze bieten unterschiedliche Varianten von Campusnetzen an, die in Teilen die bestehende Infrastruktur mit nutzen. Daneben ist es möglich, ein vollständig eigenes, dediziertes Netz mit eigenen Antennen aufzubauen. Hierzu ist die Nutzung des für Campusnetze reservierten Frequenzbandes von 3,7 bis 3,8GHz auf dem eigenen Gelände bei der Bundesnetzagentur zu beantragen.

Um die verschiedenen Varianten von Campusnetzen bewerten zu können, ist ein grundlegendes Verständnis vom Aufbau eines 5G-Netzes notwendig. Im Sinne der Industrie 4.0 sollen Daten zwischen Anwendungen im Unternehmensnetz sowie verschiedenen Endgeräten ausgetauscht werden, z.B. das Erfassen von Material mittels eines über 5G angebundenen Barcode-Scanners im Warenwirtschaftssystem. Die erfassten Daten werden in diesem Beispiel vom Scanner an ein 5G-Modem (UE, User Equipment) übergeben, welches sie zum Zugangsnetz (RAN, Radio Access Network) funkt. Die Verwaltung der Endgeräte und Datenströme erfolgt vom 5G-Core (5GC), der auch die Daten an das Unternehmensnetz (DN, Data Network) übergibt. Sowohl RAN als auch 5GC bestehen aus verschiedenen Einzelkomponenten (siehe Abbildung). Sie werden klassisch von einem Anbieter als integrierte Lösung, dem 5G-Netz, vertrieben. Hierbei ist die Nutzung und Integration von spezialisierten Einzelkomponenten von anderen Herstellern selten vorgesehen. Um diese Abhängigkeit und geringe Flexibilität aufzubrechen, wurde eine offene, modulare Architektur für 5G-Funknetze definiert. Dieses Open RAN-Konzept basiert auf einer Reihe von Standards von der O-RAN Alliance, einer Initiative der Telekommunikationsindustrie. Die Schnittstellen zwischen den einzelnen Komponenten des RAN werden so definiert, dass Komponenten unterschiedlicher Hersteller eingesetzt und miteinander kombiniert werden können.

Komponenten in einem Open RAN-5G-Netz

Der O-RAN-Standard strukturiert das Zugangsnetz (RAN) in dedizierte Einzelkomponenten, die über offene Schnittstellen miteinander kombinierbar sind. Dabei führt jede dieser Komponenten einen Teil der Protokollschichten 1 (physische Schicht) bis 3 (Netzwerkschicht) aus, um Datenpakete gemäß dem 5G Standard zu übertragen. Das Senden und Empfangen der Funksignale (Schicht 1) wird vom Antennensystem, der RadioUnit (RU), ausgeführt. Die RUs sind an die Distributed Unit (DU) angeschlossen, die u.a. den Medienzugriff der Endgeräte koordiniert (Schicht 2). Je nach Ausführungsart der RU und Leistungsfähigkeit der technischen Anbindung an die DU kann die RU auch anteilig Funktionen der Medienzugangsschicht (Schicht 2) übernehmen. Diese Flexibilität der O-RAN-Architektur ermöglicht einerseits günstige Antennensysteme bei leistungsfähiger DU-Anbindung sowie DU-Rechenkapazität und andererseits die Nutzung komplexerer Antennensysteme bei weniger leistungsfähiger Verkabelung und DU-Kapazität. Eine oder mehrere DUs sind mit einer Central Unit (CU) verbunden, die schwerpunktmäßig Funktionen der Netzwerkschicht ausführt (Schicht 3). Die CU ist zum Beispiel für den koordinierten Wechsel eines Endgerätes von einem Antennenstandort zum nächsten verantwortlich (Hand-Over). DU und CU bilden zusammen die gNodeB (gNB). Durch die Einführung der offenen Schnittstellen zwischen DU und CU sowie durch die Aufteilung der CU in die CU-CP zur Netzsteuerung und die CU-UP zur Nutzerdatenverarbeitung werden neue Verteilungsarchitekturen erleichtert und so der Aufbau des Zugangsnetzes flexibler. Entsprechend den Anforderungen des Einsatzszenarios sind die erforderlichen Kapazitäten je nach Bedarf skalierbar. Auch lassen sich gemeinsam benötigte Funktionen, die bisher an jedem Standort einzeln vorgehalten werden mussten, zusammenfassen und an eine zentralisierte Stelle (beispielsweise in der Cloud) konvergieren.

Wie dargestellt, sind in der Open RAN-Architektur die Netzfunktionen getrennt und modular gekapselt. All diese einzelnen Module müssen aber gesteuert und parametriert werden, um die Netzfunktion zu realisieren. Diese Steuerung übernimmt der Radio Intelligent Controller (RIC), der in einen schnellen (Near Real-Time, Near RT) und langsamen (Non Real-Time, Non RT) Teil aufgeteilt ist. Alle Aufgaben, die innerhalb 1s ausgeführt werden müssen, übernimmt der Near Real-Time RIC, der mit den Modulen über die E2-Schnittstelle kommuniziert. Beide RICs erlauben die Erweiterung durch Apps, genannt xApp im Near RT-RIC und rApp im Non RT-RIC. Mittels der Algorithmen in den xApps lassen sich so bestimmte Anforderungen an das Netz realisieren und dynamisch während des Betriebes verändern. Damit ist beispielsweise ein Strategiewechsel von minimaler Latenz auf maximale Bandbreite möglich. Da mit diesem Ansatz – ähnlich wie bei einem Smartphone – eine Separierung der Basisfunktionen der Controller (RIC) von einzelnen Steuerungslogiken (Apps) möglich ist, kann so auch ein bestimmtes Netzverhalten von einem Drittanbieter entwickelt und bereitgestellt werden.

Anwendungsbeispiele

Im Rahmen des Projektes CampusDynA wird untersucht, wie die Netzkonfiguration durch das OpenRAN-Konzept und den Einsatz von xApps dynamisch geändert werden kann. Hierbei ist neu, dass die Anwendung selbst direkt Einfluss auf das Netz nehmen kann, also anwendungsseitig eine Schnittstelle zur xApp geschaffen wird. Liegt Wissen über zukünftige Netzanforderungen in der Anwendung vor, kann dieses mit CampusDynA echtzeitnah an das Netz kommuniziert werden. Im untersuchten Szenario meldet ein mobiler Roboter, zu welchem Zeitpunkt er auf welchem Weg unterwegs ist. So kann das Netz den Funkkanal zwischen RU und Endgerät zum richtigen Zeitpunkt zum angegebenen Ort entsprechend der Anforderungen (QoS) bereitstellen. Ist eine Anforderung an einem Ort zu einer bestimmten Zeit vom Netz nicht erfüllbar, kann die Anwendung darauf z.B. mit einem anderen Weg reagieren. Das für das Projekt beim Werner-von-Siemens Centre for Industry and Science in Berlin aufgebaute 5G-Campusnetz und die xApps wurden von IS-Wireless realisiert, als 5GC kommt der Open5GS-Core zum Einsatz.

Fazit

Wie dargestellt ist mit einem 5G-Campusnetz, das auf dem O-RAN-Standard aufsetzt, nicht nur eine individuelle Auslegung der Netzkomponenten möglich. Durch die Schnittstellen zu den Radio Intelligent Controllern lässt sich das Netz auch dynamisch an die Anforderungen der Anwendungen anpassen. Dieser Ansatz wird im Projekt CampusDynA erprobt und bewertet. Ein Vorteil der dynamischen Netzsteuerung könnte auch ein reduzierter Energieverbrauch des gesamten 5G-Netzes sein, da die Leistungsaufnahme des Zugangsnetzes bedarfsgerecht angepasst werden kann. Das Projekt CampusDynA wird unter dem Förderkennzeichen 01MC22006D vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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