Schlagwort: Netzwerk

Der Schlüssel zu Industrie 4.0, zur Automatisierung von Betriebs- und Produktionsabläufen, liegt in leistungsstarker Konnektivität. Mit der Verwendung von 5G-Technologie unter Einsatz dedizierter Frequenzen werden höchste Business-Anforderungen hinsichtlich Übertragungsraten, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit erfüllt, was Campusnetze für Anwendungen in verschiedensten Industriebereichen relevant macht. Markus Koerner, Präsident von Kyndryl Deutschland, zeigt, welche Vorteile diese Technologie bietet, wie Deutschland und Europa hinsichtlich 5G aufgestellt sind und gibt einen Ausblick auf die zukünftige Entwicklung.

Netzwerke verbinden jeden Unternehmensbereich und bilden daher eine fundamentale Basis für die digitale Transformation. Im europaweiten Ländervergleich sind die Entwicklungsphasen der 5G Technik aber keineswegs einheitlich – dies liegt vor allem an länderspezifischen Zeitplänen und Regularien. Seit 2019 vergibt die Bundesnetzagentur für in Deutschland ansässige Unternehmen Frequenzbänder – und dies mit relativ wenig Aufwand für die Antragsteller und in der Regel innerhalb eines Monats. Auch das Wirtschaftsministerium ist an einem Ausbau der Netze interessiert und stellt hierfür relevante Informationen zur Verfügung. Seither wurde viel über die sogenannten Campusnetze und die Möglichkeiten für Industrie 4.0 gesprochen – vor allem Branchen mit großflächigen Produktionsanlagen, etwa die Chemiebranche, zählen zu den early adopters und stellen bereits im großen Stil auf eigene Netzwerke um.

In Deutschland ist es vor allem die Automobilindustrie – egal ob EOM oder Zulieferer – die besonders durch die Vorteile der neuen Technologie profitieren wird. Auch wenn der gegenwärtige Hauptfokus auf den Ausbau der Elektromobilität die Zahl der umgesetzten privaten Netzwerke noch beschränkt. Ein Papier des Bundeswirtschaftsministeriums geht davon aus, dass die Mehrzahl der rund 10.000 erwarteten 5G-Netze bis 2025 in kleinen und mittelständigen Unternehmen zu finden sein wird. Der Markt für 5G-Netze befindet sich also (noch) in der Startphase – die diversen Vorteile für Unternehmen werden dafür sorgen, dass Umsetzungszahlen in den kommenden Jahren sehr stark ansteigen werden.

Vorteile bei Performance und Sicherheit

Private Netze ermöglichen es Unternehmen, sich von Telekommunikationsdienstleistern unabhängig zu machen und die volle Kontrolle über die Verwaltung ihrer Infrastruktur zu übernehmen. Sie können genau bestimmen, wer sich wie mit dem Netz verbinden darf. Es ist sogar möglich, Nutzungsrichtlinien dafür festzulegen, worauf ein Gerät zugreifen darf, sobald es sich im privaten Netzwerk befindet. So erhalten Unternehmen nicht nur die nötige Kontrolle, um ihr Netzwerk an ihre individuellen Bedürfnisse anzupassen, sondern es ist auch eine kostengünstige Lösung: Die Gesamtbetriebskosten (TCO) privater Netzwerke sind erheblich niedriger als jene von herkömmlichen drahtlosen Netzwerken. Betriebskosten sind also besser zu priorisieren und Anwendungen bleiben durch eine schnellere Bereitstellung flexibel.

Angesichts der Herausforderungen, mit denen Unternehmen in der Vergangenheit durch die Wi-Fi-Technologie konfrontiert waren, musste nach Alternativen gesucht werden. Private Netze können besonders in industriellen Umgebungen nützlich sein, in denen flächendeckende Wi-Fi-Konnektivität schwer zu realisieren ist. Sie helfen dabei, das Problem von Blind Spots zu lösen, an denen das Signal zu schwach oder instabil ist, um die Verbindung aufrechtzuerhalten. Solche blinden Flecke können durch Interferenzen, physische Hindernisse und Entfernungen verursacht werden – alles Probleme, die 5G Netzwerke adressieren können.

Ganz entscheidend sind auch die erheblichen Sicherheitsvorteile der privaten Netze. Sie ermöglichen es Unternehmen beispielsweise, SIM-basierte Authentifizierungsmethoden anzuwenden und eine physische Trennung von ungesicherten Netzwerken (Air-Gap) herzustellen. Außerdem wird die Zuweisung von Sicherheitsrollen durch Geräte erleichtert, was es für Unternehmen einfacher macht, ihre Systeme zu überwachen und lückenlos abzusichern. Diese drahtlosen Umgebungen und die von ihnen kontrollierten Geräte stellen für Unternehmen kritische Funktionen dar. Daher muss jedem Versuch böswilliger Akteure, einzugreifen oder zu sabotieren, mit einem robusten Sicherheitssystem, nämlich einem geschlossenen, privaten Netzwerk begegnet werden.

Technologien wie Edge Computing oder Cloud werden häufig zusammen mit privaten Netzwerken implementiert, um die Möglichkeiten von industriellem IoT, maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz voll auszuschöpfen.

Die Zukunft der intelligenten Vernetzung

Wenn es um Konnektivität geht, gibt es keine Einheitslösung, die für alle passt. Genauso wie die Bedürfnisse und Prioritäten jedes Kunden einzigartig sind, sollte dies auch für ihre Konnektivitätslösung gelten. Anbieter sollten offen sein für die Verflechtung von Technologien, wenn sie zukünftige Herausforderungen meistern und die Ziele ihrer Kunden erreichen wollen. Mit der Weiterentwicklung fortschrittlicher Drahtlostechnologien wie Wi-Fi 6 ist auch mit einer Zunahme hybrider Ansätze für die Konnektivität zu rechnen. Private drahtlose Netzwerke werden sich in den nächsten Jahren weiter ausbreiten, nicht nur in der Industrie, sondern auch im Einzelhandel, in der Finanzwelt, im Gesundheitswesen und in anderen Branchen.

Markus Koerner

Präsident von Kyndryl Deutschland,

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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:

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).
Massive Machine Type Communication (mMTC) – Anwendungen, mit denen Objekte (OT/IoT) miteinander verbunden werden können.
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)