Aktuelle Anforderungen und Herausforderungen für ein kritisches Netz – das Beispiel Gesundheitswesen

Einführung

Es ist für jeden offensichtlich, dass sich die Welt, in der wir heute leben, nach dem Ausbruch der Covid-19-Pandemie verändert hat. War die Rolle der Netzwerke bis Dezember 2019 für die meisten Menschen eher diffus, so ist deren Rolle und der IT-Kommunikation im Allgemeinen nach dem Corona-Ausbruch für fast jeden Menschen klar geworden. Selbst viele technische Laien sind nun mit den grundlegenden drahtlosen Anwendungen vertraut – egal ob zu Hause, in öffentlichen Räumen oder in Einrichtungen des öffentlichen Sektors. Klar ist: Technologie – Internet, drahtlose Netzwerke (sowohl Wi-Fi als auch 4G/5G) und Videokonferenzanwendungen – hat die Lebensqualität der Menschen beeinflusst und verbessert.

Was ein kritisches Netzwerk ist

Nicht alle elektronischen Kommunikationsmittel, die durch drahtgebundene und drahtlose Technologien unterstützt werden, sind gleich wichtig. Auf der einen Seite stehen die Audio- und Videokonferenzen zwischen Freunden oder Familienmitgliedern, während am anderen Ende sehr spezialisierte und kritische Kommunikationen zwischen Menschen, spezialisierten Maschinen und Netzwerkgeräten zu finden sind. Die zugrundeliegenden Netzanforderungen variieren daher von angemessenen Verzögerungen und Paketverlusten zwischen den Kommunikationsendpunkten im ersten Szenario bis hin zu streng deterministischen Latenzzeiten, Jitter und Bandbreiten für das andere Ende des Spektrums. Diese unterschiedlichen Zuverlässigkeitsgrade, die von Netzen gefordert werden, ergeben sich aus der Tatsache, dass Netze in verschiedenen Situationen unterschiedliche Rollen spielen: Während im ersten Fall das Netz die normale Kommunikation zwischen Freunden und Familienmitgliedern unterstützt, unterstützt es im zweiten Fall kritische Anwendungen und die Kommunikation zwischen spezialisierten Maschinen und Robotern, die von OT (Operational Technology)-Experten bedient werden. Diese kritischen Netze spielen daher eine wichtige Rolle mit unmittelbaren Auswirkungen auf die Lebensqualität der Menschen.

Die kritischen Netzwerke haben daher strengere Leistungsanforderungen – insbesondere im aktuellen globalen Pandemiekontext, wenn viele medizinische Dienste über das Internet in Anspruch genommen werden. Anwendungen des Gesundheitswesens wie Fernüberwachungssysteme für den Gesundheitszustand, videobasierte telemedizinische Konsultationen, interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen medizinischem Personal oder die Konnektivität von Krankenwagen zur Übermittlung lebenswichtiger Daten an das Krankenhaus erfordern ein qualitativ hochwertiges Netz zur ständigen Überwachung der Gesundheitsparameter der Patienten. Die Bedeutung der Netzwerke anhand des Beispiels Gesundheitswesen liegt darin, dass die Datenströme, die das Netz transportieren muss, buchstäblich Menschenleben erhalten. Aus diesem Grund ist die Leistung der kritischen Netzwerke so wichtig.

Aktuelle Anforderungen und Herausforderungen für ein kritisches Netz

Um beim Beispiel des Gesundheitswesens zu bleiben: Das zugrundeliegende Netzwerk, das die kritischen Verkehrsströme der Gesundheitsanwendungen unterstützt, sollte sehr zuverlässig und sicher sein und muss eine relativ hohe und vorhersehbare Datenrate sowie eine konstant niedrige Latenzzeit für die Datenübertragungen gewährleisten. Die kontinuierliche Zunahme von Geräten (IoT-Geräte, tragbare Geräte, Maschinen, eingebettete Geräte, mobile Roboter usw.), die Konnektivität benötigen, stellt jedoch eine weitere wichtige Anforderung an ein kritisches Netzwerk dar: Skalierbarkeit bei gleichzeitiger Wahrung einer vorhersehbaren Netzwerkleistung. Darüber hinaus sollten solche kritischen Netze relativ einfach zu verwalten und zu warten sein, insbesondere, wenn unvermeidliche Probleme auftreten.

Herkömmliche kabelgebundene und drahtlose Netzwerke sind so konzipiert, dass sie die meisten der oben genannten Anforderungen erfüllen – Ausfallsicherheit, Skalierbarkeit, Sicherheit und Verwaltbarkeit. Für die Anwendungen im Gesundheitswesen – Fernüberwachungssysteme für den Gesundheitszustand (RPM – Remote Patient Monitoring), videobasierte telemedizinische Konsultationen oder die Konnektivität von Krankenwagen – sind die Anforderungen, die solche kritischen Netzwerke erfüllen müssen, jedoch eine Herausforderung, gerade wenn es um die Netzwerkleistung geht. Einer der Gründe dafür ist, dass die Konnektivität für solche Anwendungsfälle im Gesundheitswesen über das Internet mit normalen ISP-Verbindungen erreicht wird. Selbst innerhalb des Krankenhausgeländes ist es eine Herausforderung, mit herkömmlichen kabelgebundenen und drahtlosen Netzwerken das erforderliche Niveau der Netzwerkleistung zu erreichen. Die Dienstgüte für drahtlose Netze ist eine komplexe IT-Aufgabe, da sie viele Attribute aus verschiedenen Ebenen berücksichtigen muss (Funkausbreitungsbedingungen, Zellengröße und Durchsatz am Zellenrand, Schicht-2- und Schicht-3-Parameter usw.). Die bestehenden Schwankungen der Funkausbreitungsbedingungen innerhalb eines unlizenzierten Spektrums, das von jeder Wi-Fi-Lösung genutzt wird, machen die Leistungskennzahlen des Netzes unvorhersehbar.

Eine weitere Herausforderung in einer Wi-Fi-Umgebung ist der komplexe Prozess der Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Qualität der Netzleistung während des Roaming-trade-off-Prozesses. Während dies in normalen Netzwerken zu einer suboptimalen Datenqualität  für die Endnutzer führt, kann in kritischen Netzwerken (z. B. solchen, die Anwendungen im Gesundheitswesen unterstützen) der Mangel an Konsistenz und Vorhersagbarkeit der Netzwerkleistung die Lebensqualität der Menschen beeinträchtigen.

Welche Technologie kann also solche strengen Anforderungen an die Netzwerkleistung erfüllen?

Die bekanntesten Technologien, die in unterschiedlichem Maße die Leistungsanforderungen für kritische Netze erfüllen, sind: Wi-Fi 6 und 5G/Private 5G.

Wi-Fi 6 ist im Standard für Link Aggregation von Local und Metropolitan Area Networks IEEE 802.1ax  definiert und ist die erste Änderung in der Wi-Fi-Welt, die über die traditionellen Innenräume hinausgeht und auf die Außenumgebung abzielt. Die neuen technischen Merkmale (OFDMA, MU-MIMO usw.) versprechen eine konsequente Verbesserung des Durchsatzes und der Spektrumeffizienz im Vergleich zu Wi-Fi 5. Allerdings handelt es sich bei Wi-Fi 6 nach wie vor um Halbduplex-Systeme, doch Wi-Fi 7 zielt darauf ab, dieses Problem zu lösen.

Da die Wi-Fi-Frequenzbänder nicht lizenziert (aber nicht unreguliert) sind, müssen die Planung und das Design nach einer Standortuntersuchung möglicherweise regelmäßig überprüft werden. Funkausbreitungsbedingungen können sich im Laufe der Zeit ändern (Rauschuntergrenze steigt), da diese Frequenzbänder von anderen Geräten frei genutzt werden können. Diese Variabilität stellt eine Herausforderung für die Leistungsmerkmale dar, die für kritische Netze erforderlich sind, die von Spezialmaschinen oder OT-Geräten und Robotern genutzt werden. Hinzu kommt, dass die relativ geringe Funkabdeckung eines AP den erforderlichen logistischen Aufwand für die physische Installation sowie die Verwaltung einer beträchtlichen Anzahl von Switches und APs erheblich erschwert.

Auch die Sicherheit spielt in kritischen Netzen eine wichtige Rolle. Die End-to-End-Segmentierung zwischen IT- und OT-Netzwerken mit ihren jeweiligen QoS-Parametern ist in herkömmlichen Wi-Fi-Netzwerken schwer zu erreichen. Da die Anzahl der Geräte (einschließlich IoT-Geräte), die Konnektivität benötigen, zunimmt, steigt auch die Gesamtkomplexität.

Im Gegensatz dazu ist 5G / Private 5G besser für Anwendungen im Gesundheitswesen geeignet, die den Mobilitätsaspekt mit der IoT/OT-Komponente kombinieren. Anwendungen wie die Konnektivität von Krankenwagen oder videobasierte telemedizinische Konsultationen, um nur einige zu nennen, sind in der IMT-2020 (International Mobile Telecommunications) Spezifikation enthalten.

Die ITU-R hat drei Anwendungsgruppen für IMT-2020 definiert, die den Leistungsanforderungen in kritischen Netzen zumindest im Gesundheitswesen entsprechen:

  1. Enhanced Mobile Broadband (eMBB) – Anwendungen, die ultrahochauflösendes Videostreaming erfordern (z. B. Fernhilfe bei chirurgischen Eingriffen in Echtzeit). Die signifikante Steigerung der spektralen Effizienz ermöglicht eine höhere Dichte für die Gerätekonnektivität bei höheren Datenraten und ermöglicht gleichzeitig AR-Anwendungen (Augmented Reality).
  2. Massive Machine Type Communication (mMTC) – Anwendungen, mit denen Objekte (OT/IoT) miteinander verbunden werden können.
  3. Ultra-Reliable and Low-Latency Communication (URLLC) – Anwendungen, bei denen Sicherheit, niedrige Latenzzeiten und Zuverlässigkeit entscheidend sind. Die kritischen Netze, die im Gesundheitswesen eingesetzt werden, haben genau solche Leistungsanforderungen für mobile Krankenwagen oder Anwendungen zur Überwachung wichtiger Daten.

Das wohl bekannteste Merkmal von 5G-Netzen ist die konsequente Virtualisierung von Netzwerkfunktionen – das so genannte Network Slicing. Dies ermöglicht, dass in jeder Funkzelle die exakte Funktechnologie verwendet wird und die exakten QoS-Parameter in verschiedenen logischen Abschnitten des Netzes verfügbar sind, die unterschiedliche Anwendungen mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen (in Bezug auf Latenz, Durchsatz oder Jitter) transportieren. Die 5G-Technologie ermöglicht also von Haus aus die Segmentierung zwischen IT- und kritischen OT-Netzen durch Network Slicing.

Von 5G zu Private 5G ist es nur ein kleiner Schritt. Private 5G ermöglicht es öffentlichen und privaten Organisationen, die geschäftskritische Anwendungen und kritische Netze betreiben, ihre herkömmlichen Netze zu erweitern, um den Umfang ihrer Geschäftsanwendungen, die optimal eingesetzt werden können, zu vergrößern und ihren Kunden einen noch größeren Mehrwert zu bieten.

Die Integration von Private 5G in ein herkömmliches Netz erhöht die Menge der verfügbaren Datenquellen, die in einem KI-System genutzt werden können, erheblich. Die Zunahme der Datenmenge macht es für einen Menschen nahezu unmöglich, zusätzliche Erkenntnisse aus diesen Daten zu gewinnen. KI hat das Potenzial, die Gesamtleistung eines kritischen Netzwerks zu steigern, indem sie das Verhalten von Anwendungen, Geräten und Menschen lernt und dynamische und automatische Aktualisierungen verschiedener Netzwerkparameter durchführt.

Fazit

Wi-Fi und 5G/Private 5G sind sowohl konkurrierende als auch komplementäre Technologien, und ihr Einsatz im Gesundheitsbranche könnte auf der Grundlage der Kritikalität und des Mobilitätsgrads, die für die Anwendungen im Gesundheitswesen erforderlich sind, angepasst werden. Während der normale Internetzugang für Gäste und Verwaltungsanwendungen weiterhin über herkömmliche Wi-Fi-Netzwerke erfolgen kann, erfordern anspruchsvollere, kritische und komplexe Anwendungen (z. B. vernetzte Krankenwagen, Telemedizin usw.) ein Netzwerk, in das die 5G-Funktionen hervorragend passen und die herkömmliche Leistungslücke schließen könnten.

(Eduard Dulharu)

Bibliografie:


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