Datenmassen intern schnell und zuverlässig übermitteln

Eine Mehrheit der Unternehmen und öffentliche Verwaltungen treiben die Digitalisierung der Schweiz weiter voran. Denn dank flüssiger Prozesse und Arbeitsweisen steigt nicht die Produktivität, sondern es werden auch spannende Data Insights generiert. Daraus entstehen wesentliche Erkenntnisse über Dienstleistungen und deren Nutzer oder über Produkte und deren Käufer. Diese Daten sorgen in einem kompetitiven Umfeld für Verbesserungen und liefern Grundlagen für künftige Angebote.

Grosse Datenmengen sind auch bei der Produktion hochwertiger Erzeugnisse der Medizinaltechnik oder bei der Herstellung von Präzisionsteilen und Komponenten essenziell, die in komplexen Endprodukten eingesetzt werden. Hier ist genaues Arbeiten, laufende Qualitätskontrollen und eine präzise Logistik in Echtzeit gefragt, um eine hohe Qualität dauerhaft zu gewährleisten.

Es liegt auf der Hand: Voll automatisierte Produktionsprozesse wie im Szenario Industrie 4.0 sind ohne ständig, schnell und überall verfügbare Daten nicht möglich. Um teure Ressourcen präzise zu steuern und möglichst hoch auszulasten, ist das Umfeld zunehmend vernetzt und verlangt nach einer lückenlosen und leistungsfähigen Konnektivität für verschiedenste Anwendungen. So stellt sich die Frage, wie man sie zu den einzelnen Maschinen und Robotern in der Produktionshalle bringt.

Das altbewährte Ethernet wird seit Langem nicht nur in Büros, sondern als «Industrial Ethernet» auch in der Produktion eingesetzt. Zwar überzeugt es mit garantierten Bandbreiten und hoher Zuverlässigkeit, brilliert aber weder durch tiefe Kosten noch durch hohe Flexibilität. Denn neben dem hohen Installationsaufwand vor der Inbetriebnahme bedingt jede Änderung in der Produktion eine oft komplizierte und teure Umlegung des lokalen LANs (Local Area Network).

So kam man schnell auf die Idee, ein WLAN (Wireless LAN) als drahtlose Alternative einzusetzen. Jedoch fehlen bei WLANs die Mechanismen für eine garantierte Quality of Service (QoS). Daher taugen sie in Betrieben höchstens für die Bürokommunikation, aber kaum für zeitkritische Produktionsabläufe mit Bandbreitenpeaks. Denn WLANs nutzen Frequenzbänder (2,4 und 5 GHz), die weltweit von jedermann gratis genutzt werden dürfen. Dadurch sind WLANs weder sonderlich stabil noch sehr zuverlässig, da sie im Gegensatz zum Mobilfunk keine lizenzierten Bänder nutzen, in denen sie ungestört funken können.

Somit können WLANs weder eine dauernde Konnektivität noch hohe Bandbreiten garantieren. Das mag zum Surfen, für E-Mails oder nicht dringende Statusabfragen ausreichen, doch bereits in Bürogebäuden sorgen Engpässe auf der WLAN-Verbindung für langsame Datentransfers oder gestörte Video-Sessions mit verzerrten oder verzögerten Ton- und Bildübertragungen. WLANs reagieren zudem sehr empfindlich gegenüber Reflexionen oder Hindernissen aus Beton und Glas. Auch in gut isolierten Minergie-Gebäuden stossen WLANs an ihre physikalische Grenzen.

Im Industriebereich sind solche Effekte noch schwerwiegender, wenn man zum Beispiel anlaufende Produktionen oder sicherheitsrelevante Prozesse denkt. Ausserdem sind WLANs kaum skalierbar, was sich besonders in Wachstumsbranchen negativ bemerkbar macht. Denn wenn die Anzahl vernetzter Maschinen und Anwendungen steigt, laufen WLANs bald einmal am Limit.

Hinzu kommt, dass ein WLAN keinen Handover kennt und sich der Benutzer beim Wechsel am neuen Access Point jeweils neu authentifizieren muss, was schnell einmal 15 Sekunden dauern kann. Eine wichtige Voraussetzung für fahrerlose Transportsysteme sind nahtlose Funkzellen. In einem WLAN würde der Roboter oder das autonome Fahrzeuge beim Wechsel in eine andere Zelle oder bei Signalschwäche zunächst anhalten, eine neue Verbindung aufbauen und erst dann weiterfahren – in kontinuierlichen Abläufen völlig undenkbar.

Im industriellen Umfeld sowie für das Internet of Things (IoT) wurde die vierte Mobilfunkgeneration Long Term Evolution (LTE/4G) um zwei Service-Kategorien erweitert: NB-IoT (Narrowband IoT) und Cat-M1 (auch LTE-M genannt). Beide sind abgespeckte LTE-Varianten, welche Daten mit nur 20 bis 30 Kbit/s (NB-IoT) oder maximal 100 Kbit/s (LTE-M) übertragen können. Auch die mögliche Reichweite wurde begrenzt, denn neben der Datenrate ist auch die Reichweite entscheidend für die Batterielebensdauer.

Sie beträgt maximal zehn Jahre bei NB-IoT und fünf Jahre bei LTE-M und sinkt mit höherer Datenrate und erhöhter Reichweite. Um möglichst wenig Sendeleistung zu erzeugen, wurde der Übertragungsmodus angepasst.

Statt Vollduplex-Übertragung wie bei normalen LTE-Endgeräten können NB-IoT-Geräte nur entweder senden oder empfangen (Halbduplex), was für unkritische Anwendungen im Bereich Massive IoT ausreicht.

Auch ausserhalb von Gebäuden bildet LTE/4G eine hervorragende Basis für die mobile Breitbandkommunikation. Es wurde bereits 2012 in der Schweiz eingeführt, seither kontinuierlich ausgebaut und versorgt heute mehr als 99 Prozent der Bevölkerung.