5G-Campusnetze und Richtfunk – Funk das Trägermedium der Zukunft?

Abhörsicher, performant und störungsfrei. Allesamt Eigenschaften, die man vor einigen Jahrzehnten kaum mit Funk in Verbindung gebracht hätte. Doch die Technik hat sich rasant weiterentwickelt.

Heute sind hochverfügbare Funkverbindungen – von Richtfunk für die Standortvernetzung bis zu 5G-Campusnetzen – der Dreh- und Angelpunkt für IoT-Plattformen und den allgemeinen Datenaustausch. Wireless ist dabei das Trägermedium schlechthin für die Industrie 4.0.

So vertrauen immer mehr Einzelhändler – vor allem in den USA und Asien – auf Serviceroboter, die Kunden den Weg weisen oder Informationen in Echtzeit abrufen. Aber auch Pflege- und Gesundheitseinrichtungen schätzen die Möglichkeit, Patientendaten ortsunabhängig digital zu erfassen und diese bei Untersuchungen – ohne eine Papierakte hin- und herschieben zu müssen – zu pflegen.

Wireless revolutioniert nicht zuletzt auch ganze Maschinenparks: Während Maschinen drahtlos miteinander kommunizieren und gesteuert werden, können Wartungsmaßnahmen direkt vor Ort mit einem Smartphone eingecheckt und geteilt werden. Doch Funk ist nicht gleich Funk!

Funkspektren und Betreibermodelle

Beginnen wir beim Mobilfunkstandard 5G: Wenn über 5G gesprochen wird, denkt man zuerst an die großen Mobilfunknetze von Telekom, Vodafone und O2.

Hierbei handelt es sich um einen öffentlichen Slice der 5G-Frequenzen im 3,5 GHz-Bereich, der einen gemeinsamen Netzwerkverkehr aller Netznutzer umfasst. Aber es existieren noch weitere Varianten der 5G-Nutzung: Hybrid / Shared RAN und Hybrid / Small Cells realisieren über das öffentliche 5G-Netz ein eigenes Kern- bzw. Funknetz und ermöglichen eine Mischform aller Netzkomponenten zwischen Provider und Selbstbetrieb. Eine kommerzielle Nutzung ist hierfür aktuell jedoch nicht verfügbar!

Überall dort, wo höchste Anforderung an die Informationssicherheit bestehen, wo Kunden- oder Patientendaten erfasst werden oder kritische Infrastruktur betrieben wird, empfiehlt sich eine dritte Variante: der Betrieb eines dedizierten 5G-Campusnetzes (3,7 und 26 GHz) mit eigener Netz-ID. Dieses erlaubt im Enterprise-Umfeld den eigenständigen Aufbau eines 5G-Netzes durch einen Dienstleister. Das so entstehende lokale 5G-Netz ist somit komplett autark vom öffentlichen 5G-Netz.

Bild 1: Im privaten Betrieb sind 5G-Campusnetze komplett autark vom öffentlichen Netz.

WiFi-6 und 5G – wo ist da bitte der Unterschied?

Im netten Café um die Ecke oder im Wartezimmer beim Hausarzt funktioniert WiFi noch recht gut. Sobald aber die Anforderungen an Sicherheit und Verfügbarkeit für betriebskritische Kommunikation wachsen, kommt ein eigenes 5G-Campusnetz ins Spiel. Das hat seine Gründe:

• (Zeit-)kritische Applikationen, wie das Steuern einer Drohne, von Maschinen in vollautomatisierten Lagerhäusern und Robotern zur Desinfektion der Räume, das Tracking von Assets im Flughafenbetrieb, die Echtzeitüberwachung von Patienten, die Fernsteuerung im Bergbau oder die Sicherheitstechnik in Stadien und Wohnanlagen sind mit WiFi nicht realisierbar. Hier bedarf es hochverfügbarer 5G-Technik.
• WiFi kommt bei mehr als 100 Verbindungen / AP schnell an die Grenzen. 5G schafft mehr als 400 Verbindungen / AP.
• Auch die Ausleuchtung von WiFi ist mit einem Radius von bis zu 100 Meter / AP geringer als bei 5G mit rund 1.000 Metern / AP.
• Darüber hinaus ist der QoS eingeschränkt und stark von der Luftstrecke abhängig. 5G-Campusnetze managen die Priorisierung für eine jederzeit optimale Verbindung.
• Wer im Büro das WiFi nutzt, kennt es: Die Mobilität ist eingeschränkt und schnell kommt es bei „Handovers“ zu Verbindungsabbrüchen. 5G-Verbindungen sind im Empfangsgebiet rund 350 km/h schnell und brechen nicht einfach ab.
• WiFi ist geräteabhängig (Passwort, Zertifikat) über die Jahre sicherer geworden. Für höchste und klar definierte Sicherheitsstandards stehen jedoch 5G-Geräte – auch dank APN/SIM.

Dicke Luft in der City – darum Frequenzantrag

Wenn die Fernbedienung für das Garagentor das Babyphone stört oder die Überwachungskamera sich partout nicht mit dem WLAN verbinden möchte, ist der Ärger groß. Häufig stört ein Dritter – meist unwissentlich – die Kommunikation. Gerade im Enterprise-Bereich möchte man derartige Probleme vermeiden. 5G-Campusnetz bieten auch diesbezüglich eine optimale Störungssicherheit, da mittels des obligatorischen Frequenzantrages bei der Bundesnetzagentur ein störungsfreier Betrieb ermöglicht wird.

(KRITIS-)Krankenhäuser, vollautomatisierte Fabriken, Flughäfen und andere Infrastruktureinrichtungen haben dank 5G erstmals die Chance, ohne Kabelzieherei ein DSGVO-konformes, abhörsicheres, performantes (geringe Latenz, hoher Datendurchsatz) Funknetz als Komplettlösung aufzubauen, das mittlerweile von vielen Geräten, wie integrierten Maschinen, Automated Guided Vehicles, Smartphones, Handhelds, VR-Brillen etc., unterstützt wird. Auch das Retrofitting via 5G-Modems für RS232, LAN und WLAN ist möglich.

Größere Strecken benötigen gerichteten Funk

Funk kann aber auch zum Überbrücken größerer Distanzen eingesetzt werden: Richtfunk ermöglicht die drahtlose Verbindung von zwei oder mehreren Standorten. Der wesentliche Unterschied zu anderen Funkübertragungen ist, dass bei Richtfunk die Übertragung der Funkwellen gerichtet erfolgt. Dadurch können Reichweiten von bis zu 50 Kilometer und Übertragungsraten von bis zu 20 Gbit/s erzielt werden.

Grundsätzlich wird zwischen lizenziertem Richtfunk und lizenzfreiem Richtfunk unterschieden. Während lizenzfreie Systeme – wie WiFi-Richtfunk (5 GHz) und 60 GHz-Richtfunk – über eine allgemeine Genehmigung der Bundesnetzagentur verfügen und quasi direkt in Betrieb genommen werden können, bedürfen lizenzierte Systeme – üblicherweise im Frequenzbereich 7 bis 38 GHz sowie 80 GHz – einer ordentlichen Einzelgenehmigung durch die Bundesnetzagentur. Dadurch sind sie besonders störungssicher. In beiden Fällen ist Richtfunk protokollunabhängig und kann eigenständig eingesetzt werden.

Richtfunk – besser als Glasfaser?

Neu ist das Verfahren, Standorte per Richtfunk miteinander zu verbinden, nicht. Aber dank der Weiterentwicklung dieser Technologie verfügt Richtfunk heute sogar über eine höhere Verfügbarkeit (99,995 Prozent) als Glasfaser. Hierbei unterscheidet man zwischen der Hardwareverfügbarkeit und der wetterbedingten Verfügbarkeit. Die Hardwareverfügbarkeit wird mit der Mean-Time-Between-Failure (MTBF) angegeben und kann durch redundante Hardwarebestückung über eine 1+1 Protection erhöht und ausfallsicher ausgelegt werden.

Übrigens: Die wetterbedingte Verfügbarkeit gibt den prozentualen Jahreswert an, mit der die Richtfunkverbindung Nutzdaten mit der gewünschten Datenrate übertragen kann. Hier mal ein Rechenbeispiel: Bei einer wetterbedingten Verfügbarkeit von 99,995 Prozent beträgt die durchschnittliche Ausfallzeit nur 0,005 x 365 Tage = 26 Minuten pro Jahr.

Bild 2: Ob als temporäre Lösung, Backup oder Alternative zur Glasfaser: Richtfunk punktet mit kurzen Realisierungszeiten, hoher Ausfallsicherheit und niedrigen Betriebskosten.

Adaptive Modulation und XPIC

Durch den Einsatz einer unterbrechungsfreien adaptiven Modulation, die die Bandbreite an die Witterungsverhältnisse anpasst, kann die Verfügbarkeit des Richtfunklinks bzw. hoch priorisierter Daten und zeitkritischer Sprachanwendungen sichergestellt werden. Je nach Richtfunksystem werden bis zu 12 Modulationsstufen von QPSK bis 4096 QAM unterstützt.

Zusätzlich kann die Spektrumseffektivität verdoppelt werden. Dies gelingt mittels Cross-Polarization-Interference-Cancelling (XPIC), wodurch die Nutzung der gleichen Frequenz in zwei Polarisationsebenen ermöglicht wird. Die entstehenden Interferenzen der beiden Systeme werden
elektronisch kompensiert.

Sicher funken dank AES-Verschlüsselung

Unternehmen, aber auch wissenschaftliche und öffentliche Einrichtungen, die hochsensible Informationen – man denke an Patienten- und Kundendaten – übertragen, erwarten höchste Sicherheitsstandards. Auch hier enttäuschen moderne Richtfunkverbindungen nicht: Da Richtfunkfelder mit einem maximalen Streuungswinkel von rund zwei Grad stark gebündelt werden, ist der Bereich für ein potenzielles Abhören äußerst gering. Zusätzliche Sicherheit erhält man durch die Aktivierung der AES-Verschlüsselungsoption.

Bild 3: Bei Richtfunk erfolgt die Übertragung der Funkwellen gerichtet. Dadurch werden nur sehr geringe Funkfeldstärken benötigt. Im Vergleich: Die Abstrahlung eines Smartphones ist um das Vielfache höher.

Einsatzszenarien von Richtfunk

Aufgrund der hohen Verfügbarkeit und Sicherheitsstandards eignet sich Richtfunk für klassische Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen von (Firmen-)Standorten. Gängige Einsatzszenarien sind:

• Vor allem in ländlichen Regionen, wo der Datenaustausch von der fehlenden Netzabdeckung erschwert wird, können über einen Hauptverteiler gleich mehrere Endkunden so auch zur Erschließung „weißer Flächen“ mit dem Internet verbunden und werden.
• Wer sich bei seiner Breitbandverbindung absolut keinen Ausfall leisten kann, für den ist eine redundante Richtfunkverbindung als Zwei-Wege-Führung für höchste Verfügbarkeit, die optimale Lösung.
• Richtfunksysteme amortisieren sich, gemessen an einer Mietleitung, in der Regel innerhalb von sechs bis 24 Monaten. Da die Verlegung von Leitungen durch Einhaltung regulatorischer Vorschriften sowie arbeitsaufwändigen Tiefbauarbeiten einen längeren Installationszeitraum in Anspruch nimmt, kann Richtfunk aufgrund der schnellen Inbetriebnahme auch als Vorablösung herangezogen werden.
• Richtfunk eignet sich auch als temporäre Lösung zur Versorgung von Messen, Festivals und Großveranstaltung. Im Besonderen lizenzfreie Systeme können schnell, zuverlässig und flexibel für Ethernet Verbindungen eingesetzt werden. Nach dem Einsatz können die Systeme abgebaut und an anderer Stelle wiederverwendet werden.

Ist eine direkte Sichtverbindung aufgrund von Topologie, Bebauung oder Bewuchs nicht gegeben, kann das Funksignal über ein oder mehrere Umlenkpunkte umgeleitet werden. Geprüft wird dies im Rahmen einer Richtfunkplanung. Umlenkpunkte lassen sich in Abhängigkeit zur Reichweite rein passiv (nur Antennen) oder als aktiver Regenerationspunkt (vollständige Richtfunkhardware) realisieren.

Weltweit werden schon mehr als 90 Prozent aller Businessprozesse digital abgebildet. Und mit dem Aufkommen von Cloud-Computing, AI und IoT steigen die Anforderung an die Flexibilität, Sicherheit und Übertragungsgeschwindigkeit der Netzwerke. Funk, vor allem in Form von 5G-Campusnetzen und Richtfunk zur Standortvernetzung, kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu. Mit dem passenden Dienstleister lassen sich diese Wireless-Netzwerke sicher planen und realisieren.