5G-Campusnetze: Eine Einführung in die Datenkommunikation für Fabriken und Forschungseinrichtungen

Wenn du an deinem Arbeitsplatz in einem Unternehmen oder einer Forschungseinrichtung ein 5G-Smartphone verwendest, besteht die Möglichkeit, dass du dich in ein sogenanntes 5G-Campusnetz einwählen kannst. Ein 5G-Campusnetz ist ein privates Mobilfunknetz, das auf einem abgegrenzten Gelände schnelle Datenverbindungen ermöglicht.

Im Folgenden erfährst du, was ein 5G-Campusnetz genau ist, wem es nützt, welche Technologie dafür erforderlich ist und inwiefern du es nutzen kannst.

Was ist ein 5G-Campusnetz?

Ein Campusnetz bezieht sich derzeit auf ein lokales Datennetzwerk, das typischerweise in Fabrik- und Lagerhallen, Forschungszentren oder einzelnen Bürogebäuden eingesetzt wird. Im aktuellen Ansatz kommt dabei nicht (W)LAN-Technik, sondern Mobilfunk zum Einsatz.

Die Funkzelle versorgt ausschließlich das jeweilige Gelände und ist in der Regel nicht an das öffentliche Mobilfunknetz angeschlossen. Zwar könnte ein solches Netz prinzipiell mit dem älteren Mobilfunkstandard 4G/LTE aufgebaut werden, aber erst der fortschrittlichere Nachfolgestandard 5G hat breites Interesse geweckt. Im Vergleich zu LTE ermöglicht 5G das Senden von mehr Datenpaketen in gleicher Zeit und mit geringerer Verzögerung.

Diese Eigenschaften machen 5G-Campusnetze besonders attraktiv für datenintensive Anwendungen in der modernen Produktion und Forschung. Unternehmen betrachten den 5G-Standard als einen wichtigen Hebel, um ihr Geschäft mit datenbasierten Produkten, Diensten oder Fertigungsmethoden zu modernisieren. Der Begriff „5G-Campusnetz“ hat sich aufgrund der Verwendung von 5G in neuen Firmennetzwerken zu einem wichtigen Schlagwort entwickelt.

Es gibt zwei Hauptgründe, warum Unternehmen und Forschungseinrichtungen die Infrastruktur für ein Mobilfunknetz selbst betreiben, anstatt die öffentlichen 5G-Netze von Telekom, Vodafone, o2 oder 1&1 zu nutzen.

Erstens können sie auf diese Weise die Datenverbindungen besser vor ungewolltem Austreten von Betriebs- und Forschungsgeheimnissen schützen, da die genutzte Technik ihnen gehört und unter ihrer Kontrolle steht.

Zweitens können sie sicherstellen, dass das Netzwerk genügend Leistung für ihre Bedürfnisse bietet, da Campusnetze exklusive Funkfrequenzen zugewiesen bekommen, die sie nicht mit der breiten Öffentlichkeit des normalen Mobilfunks teilen müssen.

Viele 5G-Campusnetze befinden sich derzeit in der Planungs- oder Probephase, während nur wenige bereits im aktiven Betrieb sind. Daher handelt es sich um ein Trendthema, bei dem der langfristige Praxistauglichkeitsnachweis noch aussteht.

Wer nutzt ein 5G-Campusnetz?

Bisher interessieren sich vor allem große Konzerne und mittelständische Unternehmen in der produzierenden Industrie für 5G-Campusnetze. Auch Häfen, Flughäfen und andere Akteure im Logistikbereich sowie Hochschulen mit einem Schwerpunkt auf technischer Forschung zeigen Interesse. Vereinzelt nutzen auch große medizinische Einrichtungen wie Kliniken diese Technologie. Die Lizenznehmer-Liste der Bundesnetzagentur gibt einen Einblick in die Branchen, die von 5G-Campusnetzen profitieren könnten.

Die Bundesnetzagentur hat bis zum Jahresbeginn 2024 376 Anträge für Campusnetze erhalten und in 371 Fällen Frequenzen zugewiesen. Dies spiegelt zwar nicht unbedingt den Fortschritt beim Aufbau der Netze wider, gibt jedoch Hinweise darauf, welche Branchen von der 5G-Technologie überzeugt sind.

Prominente Unternehmen, die laut Bundesnetzagentur Frequenzen für Campusnetze lizenziert haben, sind unter anderem Airbus, Audi, BMW, Bosch, Deutsche Bahn, Porsche, Huawei, Kuka, Mercedes-Benz, Miele, Siemens und Volkswagen. Auch auf Messegeländen in Hannover und Köln, den Flughäfen in Frankfurt und Köln/Bonn, den Bavaria Filmstudios, der Berliner Charité und im Leipziger Helios Park-Klinikum sind Campusnetze ein Thema.

Zusätzlich haben mehrere Dutzend Universitäten, Hochschulen und Forschungsinstitute der Fraunhofer-Gesellschaft aus dem gesamten Bundesgebiet lokale 5G-Funkfrequenzen lizenziert. Diese Technologie wird oft nicht nur für den eigenen Betrieb genutzt, sondern auch, um Anwendungen für die Wirtschaft zu testen.

Wozu wird ein Campusnetz eingesetzt?

Ein Campusnetz, insbesondere mit 5G-Technologie, wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt, um einen schnellen und effizienten Datenverkehr zu ermöglichen. Hier sind einige Anwendungen, die ein 5G-Campusnetz attraktiv machen:

Campusnetze in der Produktion:
In Fabriken werden zunehmend Maschinen aus der Ferne gesteuert, und ihre Betriebszustände werden mithilfe von drahtlos vernetzten Sensoren übermittelt. Die Steuerbefehle und Messwerte werden über ein Datennetzwerk übertragen, um eine schnelle Reaktion des Bedienpersonals zu ermöglichen. Die Maschinen sollen sich in Zukunft automatisiert untereinander steuern und frühzeitig auf Probleme hinweisen, um kostspielige Reparaturen durch vorausschauende Wartung zu vermeiden. Die Vernetzung von Produktionsanlagen, die Echtzeit-Fernsteuerung von Maschinen und deren Fernwartung sind entscheidende Anwendungen im Kontext von Industrie 4.0.

Diese Beispiele verdeutlichen, wie ein 5G-Campusnetz in verschiedenen Branchen genutzt werden kann, um einen zuverlässigen und schnellen Datenaustausch zu gewährleisten.

Campusnetze in der Logistik:
In der Logistik werden autonom agierende Transportfahrzeuge wie Gabelstapler immer häufiger eingesetzt, um Güter in Lagerhallen zu bewegen. Diese Fahrzeuge planen und ändern ihre Routen autonom, basierend auf ihrer Position im Verhältnis zu anderen Fahrzeugen. Ein 5G-Campusnetz ermöglicht eine verzögerungsfreie Übermittlung von sich ständig ändernden Koordinaten, was für eine schnelle Anpassung der Routen entscheidend ist. Im Gegensatz zu WLAN-Hotspots ermöglichen 5G-Zellen einen nahtlosen Wechsel zwischen den Netzwerken, ohne dass die Fahrzeuge stoppen müssen.

Campusnetze und Push-to-Talk:
Obwohl bei 5G-Campusnetzen die Datenübertragung im Vordergrund steht, können sie auch für Sprechfunk genutzt werden. Durch die Konfiguration von Smartphones können sie über die lokale Mobilfunkzelle miteinander kommunizieren. Die Kommunikation ist dabei auf das definierte Gelände des Campusnetzes beschränkt und ermöglicht keine Gespräche außerhalb dieses Bereichs.

Campusnetz und Drohnen:
Flugdrohnen haben manchmal eine begrenzte Funkreichweite zwischen der Drohne und dem Controller, insbesondere in weitläufigen Betriebsgeländen. Durch die Integration eines 5G-Mobilfunkmasts als Vermittlungsstelle kann der Aktionsradius erheblich vergrößert werden. Im Campusnetz des Hamburger Hafens, das auf Telekom-Technik basiert, überwacht und steuert ein zentraler Leitstand eine Flotte von Industrie-Drohnen mithilfe dieser 5G-Technologie.

Campusnetze und AR/VR:
Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) Brillen können im Rahmen von Campusnetzen genutzt werden, um Fachkräften bei komplexen Aufgaben zu unterstützen. Dies kann die Reparatur von Maschinen oder auch medizinische Operationen umfassen. Obwohl WLAN die erforderlichen Datenmengen bewältigen könnte, ist die niedrige Latenz von 5G von Vorteil, insbesondere für Echtzeitergänzungen von Informationen. Ein Beispiel dafür sind Mixed-Reality-Brillen, die bei Tumoroperationen an der Uni-Klinik Düsseldorf verwendet werden. Diese Brillen zeigen dreidimensional eingeblendete Markierungen an. Falls es während des Eingriffs neue Erkenntnisse gibt, können die Daten sofort ergänzt und über das 5G-Campusnetz mit Vodafone-Technik auf die Brille geladen werden.

Was ist nicht mit einem 5G-Campusnetz gemeint?

5G-Campusnetze haben nicht den Zweck, traditionelle Mobilfunkanwendungen wie Telefonieren, SMS oder das Surfen im Internet zu ersetzen. Der Zugriff auf Intranet-Netzwerke, das normale Surfen im Internet und ähnliche Anwendungen wird weiterhin über (W)LAN abgewickelt. Die bestehende Netzinfrastruktur, bestehend aus Ethernetbuchsen und Wi-Fi-Routern, bleibt erhalten und wird durch ein privates 5G-Mobilfunknetz ergänzt.

Darüber hinaus sind 5G-Campusnetze nicht die bevorzugte Lösung für einen verbesserten Mobilfunkempfang auf großen Festivals. Obwohl Mobilfunkanbieter wie Telekom, Vodafone und o2 vermehrt 5G-Technik auf Festivalgeländen einsetzen, handelt es sich dabei um Maßnahmen zur Verstärkung des öffentlichen Mobilfunknetzes. Ein privates Campusnetz ist dabei nicht involviert.

Welche Vorteile bietet ein Campusnetz?

Abgesehen von der Datenhoheit und der Anpassbarkeit eines lokalen Netzes sind schnelles Tempo, niedrige Latenzen und hohe Zuverlässigkeit von 5G die wichtigsten Vorteile.

Leistungsmerkmale im 5G-Netzwerk
Der 5G-Standard bietet eine erheblich höhere Bandbreite im Vergleich zu LTE, was bedeutet, dass es in der Lage ist, wesentlich mehr Datenpakete gleichzeitig zu übertragen.

Im optimalen Szenario liegt die Latenzzeit bei unter 1 Millisekunde, was dazu führt, dass zwischen dem Absenden und der Zustellung von Datenpaketen praktisch keine spürbare Verzögerung besteht. Dieses beeindruckende Reaktionstempo stellt LTE und WLAN in den Schatten. Zudem ermöglicht 5G die Festlegung von festen Zeitvorgaben, innerhalb derer Daten von Sensorsignalen und Steuerbefehlen eingehen müssen.

Diese schnelle Reaktionszeit ist von entscheidender Bedeutung, beispielsweise wenn ein automatisierter Fertigungsroboter sofort gestoppt werden muss, sobald eine Person einen Gefahrenbereich betritt. Darüber hinaus ermöglicht 5G einen nahtlosen Übergang zwischen zwei Mobilfunkzellen (seamless handover). Dies erleichtert den unterbrechungsfreien Betrieb autonomer Fahrzeuge auf ausgedehnten Geländen. Im Vergleich dazu können kurze Sendepausen beim Wechsel zwischen zwei WLAN-Hotspots auftreten.

Ein weiterer Vorteil von 5G besteht darin, dass es eine große Anzahl von gleichzeitig funktionsfähigen Geräten unterstützen kann, während WLAN in solchen Situationen instabil werden kann.

Datensicherheit im 5G-Campusnetz
Ein 5G-Campusnetz ist grundsätzlich strikt von öffentlichen Netzwerken getrennt, was bereits auf Netzwerkebene einen externen Zugriff ausschließt. Die Verbindung zum lokalen Intranet oder dem Internet erfolgt nur auf speziellen Wunsch.

Die Zugriffskontrolle bleibt dennoch hoch, da die Einwahl spezielle SIM-Karten oder eSIM-Profile erfordert. Im Vergleich zur möglichen ungewollten Offenlegung eines WLAN-Passworts ist die unerwünschte Weitergabe deutlich unwahrscheinlicher.

Verfügbarkeit und Anpassbarkeit im 5G-Campusnetz
Die Kapazitäten eines 5G-Campusnetzwerks lassen sich genau auf die Anforderungen von Unternehmen und anderen Organisationen abstimmen. Durch die Planbarkeit der Netznutzung, sowohl hinsichtlich Geräten als auch Personen, können Puffer für einen zuverlässigen Betrieb reserviert werden.

Die Mobilfunkmasten sind exklusiv für das Campusnetz und werden von niemand anderem genutzt. Die von der Bundesnetzagentur zugewiesenen Frequenzen sind ausschließlich für dieses Netz vorgesehen. Die verfügbaren Funkfrequenzbänder im Bereich von 3,7 bis 3,8 GHz ermöglichen eine hohe Bandbreite von 2 bis 10 Gbit/s oder mehr. Zudem können die Funkressourcen des Netzes nach Bedarf priorisiert werden (Network slicing), was sicherstellt, dass stets ausreichender Datendurchsatz für die jeweils benötigte Anwendung verfügbar ist – vorausgesetzt, eine gründliche Planung liegt zugrunde.

Was ist für den Betrieb eines 5G-Campusnetzes erforderlich?

Um ein 5G-Campusnetz zu betreiben, sind sowohl Hardware- als auch Softwarekomponenten für die Netzinfrastruktur und lizenzierte Funkfrequenzen notwendig. Falls die entsprechende Expertise nicht intern vorhanden ist, wird ein Dienstleister benötigt, der den Aufbau, die Einrichtung, die Administration und die Wartung des Netzes übernimmt. Darüber hinaus ist es entscheidend, zu Beginn einen Infrastrukturansatz festzulegen, da dies den weiteren technischen Bedarf beeinflusst.

Drei Ansätze für die Architektur von 5G-Campusnetzen

1. Isoliertes Campusnetz:
   Ein isoliertes Campusnetz ist vollständig von herkömmlichen Mobilfunknetzen getrennt, ohne externe Verbindung. Diese Wahl gewährleistet maximale Datenhoheit und ermöglicht aufgrund der unmittelbaren geografischen Nähe niedrige Latenzen für Echtzeitanwendungen. Allerdings erfordert die Netzabdeckung großer Gelände ausreichend eigene Hardware.
2. Hybrides Campusnetz oder Dual-Slice-Campusnetz:
   Ein hybrides Campusnetz besteht aus einem privat betriebenen Teil und einem, der Zugriff auf das reguläre 5G-Netz eines großen Mobilfunkanbieters hat. Der private Teil ist für sicherheitskritische interne Anwendungen reserviert, während der andere Teil für die externe Kommunikation mit Geschäftspartnern oder Zulieferern genutzt wird. Diese Aufteilung reduziert den Bedarf an eigener Hardware.
3. Vodafone Campusnetz auf Basis des regulären 5G-Netzes:
   Vodafone bietet einen Ansatz, bei dem der Anbieter einige der örtlichen Mobilfunkkapazitäten exklusiv für das private Campusnetz reserviert. Dies ermöglicht den Betrieb ohne eigene Mobilfunkmasten, könnte jedoch aufgrund der möglicherweise weiter entfernten gemieteten Sendemasten zu leicht erhöhten Latenzen führen.

Technikkomponenten für den Aufbau eines Campusnetzes

• Basisstation mit Software für das Kernnetz
• Antenne mit einer Funkeinheit für den Aufbau einer Funkzelle mit Netzabdeckung von mehreren hundert Metern
• 5G-fähige Smartphones und 5G-Modems für andere Geräte
• Autorisierung über spezielle SIM-Karten oder eSIM-Profile
• Software läuft auf einem lokalen Rechner oder Netzwerkserver in Form von Serverschränken für größere Installationen
• Möglicher Bedarf an zusätzlichen Antennen für mehr Funkzellen und erweiterte Software für verschiedene Netzkonfigurationsdienste

Kosten eines 5G-Campusnetzes

• Kosten für Technik, Funklizenzen und interne Arbeitszeit oder externe Dienstleistungen
• Konzeption, Einrichtung und Administration können zeitintensiv sein und Spezialwissen erfordern
• Funklizenzen haben einen Sockelbeitrag von 1.000 Euro, abhängig von Geländegröße, benötigter Bandbreite und Lizenzlaufzeit kommen weitere Kosten hinzu
• Beispielrechnung: 60 MHz Bandbreite für 10 Jahre und 20.000 Quadratmeter Firmenfläche führen zu 4.600 Euro Lizenzgebühren
• Unternehmen können Lizenzen selbst beantragen oder Dienstleister können dies übernehmen, zusammen mit dem Netztechnik-Beschaffung und dem Aufbau
• Komplettpakete werden von großen Netz-Riesen sowie kleineren Spezialanbietern angeboten, mit Kosten im sechs- bis siebenstelligen Euro-Bereich, wobei einfache Starterkits ab 75.000 Euro verfügbar sind.

Ist es möglich, ein Smartphone mit einem 5G-Campusnetz zu verbinden?

Als Mitarbeiter einer Hochschule, eines Forschungsinstituts oder eines Unternehmens wirst du in der Regel nur dann mit einem 5G-Campusnetz in Berührung kommen, wenn du an einem der professionellen Einsatzzwecke beteiligt bist. Eine unerwünschte Einwahl in das private Mobilfunknetz ist ohne vorherige Autorisierung ausgeschlossen, da dein Smartphone eine spezielle SIM-Karte benötigt, die für das Netz freigegeben ist, oder ein entsprechendes eSIM-Profil.

Selbst wenn du Zugang zum 5G-Campusnetz erhältst, ist nicht gewährleistet, dass dein Smartphone damit funktioniert. In Campusnetzen kommt oft die Funkstandardvariante 5G Standalone (5G SA) zum Einsatz, die noch nicht von allen Smartphones unterstützt wird. Auch das Zusammenspiel mit den speziellen SIM-Karten, die für private Netze vorgesehen sind, scheint fehleranfällig zu sein. Dies ergab ein Kompatibilitätstest in den 5G-Campusnetzen der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg und der Uni Köln im Jahr 2022, während der ersten Hochphase dieses Netzwerktrends.

Im Test erwiesen sich 5G-Modems in Form von Steckkarten für Notebooks sowie 5G-Industrierouter als unkomplizierter. Diese ermöglichen anderen Endgeräten über LAN oder WLAN den Zugriff auf das 5G-Campusnetz. Ob du dich mit dem Smartphone über diesen Umweg oder gar nicht in das private Netz einwählen kannst, wird im Einzelfall erfragt werden müssen.