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8-2021

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik

Messtechnik Netzwerktests ebenen den Weg zur intelligenten Fabrik Der 5G-Mobilfunk bringt alle Voraussetzungen mit, um die intelligente Fabrik der Zukunft drahtlos zu vernetzen. Doch damit das gelingt, sind Netzwerktests unabdingbar. von mindestens vier drahtlosen Zugangspunkten aus versorgt werden können. Ob das gewährleistet ist, kann nur ein Test vor Ort klären, und zwar nicht nur bei der Erstinstallation, sondern nach jeder Umgestaltung des Maschinen- oder Gebäude-Layouts, da bauliche Veränderungen sich auf die Ausbreitungsbedingungen der Funkwellen auswirken können. Bild 1: Die Einweg-Latenz ist die Signallaufzeit vom Sender zum Empfänger (oberes Bild), während die Umlauf-Latenz, Round-Trip- oder Antwortzeit die Verarbeitungsdauer durch den Empfänger und die Rücklaufzeit beinhaltet Arnd Sibila Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG Lehrvideos und weitere Informationen bietet eine spezielle Smart-Factory- Webseite: www.rohde-schwarz.com/mnt/smart-factory Die 5G-Technologie wurde in 3GPP Release 15 standardisiert, das die Grundlage der aktuellen 5G-Netze bildet. Vom Release 16, das stark von der 5G Automotive Association (5GAA) und der 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA) beeinflusst wird, sind weitere deutliche Verbesserungen bei der Latenzzeit, der Netzwerksynchronisierung und der Integration in industrielle Ethernet-Netzwerke zu erwarten. Damit entwickelt sich 5G zu einer geeigneten Technologie, um die Anforderungen intelligenter Fabriken (Industrie 4.0) zu erfüllen. Diese zeichnen sich durch eine datengetriebene Echtzeitsteuerung aller Prozesse aus sowie durch die Möglichkeit, Produktionslinien schnell und flexibel umzugestalten. Voraussetzung dafür ist eine so umfassende Vernetzung der Maschinen, Menschen, Anlagen, Logistik und Produkte, wie sie nur über Funk machbar ist. Schnelle Funkstrecken auf 5G-Basis werden deshalb das Adergeflecht bilden, das den komplexen Fabrikorganismus am Leben erhält. Da eine auch nur kurzzeitige Beeinträchtigung des Datenflusses gravierende Folgen – und Kosten – nach sich ziehen kann, ist das Funknetz mit großer Sorgfalt zu konzipieren, einzurichten und zu überwachen. Das geschieht in mehreren (Test-)Phasen, die nachfolgend erläutert werden. Die wichtigsten KPIs in der mobilfunkvernetzten Fabrik Eine intelligente Fabrik ist eine kritische Umgebung, die strenge Anforderungen an die Konnektivität und Zuverlässigkeit der Maschinen sowie an die Datenund Mitarbeitersicherheit erfüllen muss, insbesondere wenn die Konnektivität durch Drahtlostechnologien bereitgestellt wird. Ein probates Mittel zur Erhöhung der Zuverlässigkeit ist Redundanz. Jeder Standort in der funkvernetzten Fabrik sollte Die zuverlässige drahtlose Erreichbarkeit jeder Stelle ist eine notwendige, aber noch keine hinreichende Voraussetzung für den reibungslosen Betrieb. Zusätzlich muss die Performance stimmen, die sich nicht nur nach dem erzielbaren Datendurchsatz bemisst, sondern – in vielen Fällen wichtiger – auch nach der Latenzzeit, also der Zeit, die ein Signal benötigt, um das System zu durchlaufen. Die Latenzen bisheriger Mobilfunktechnologien bis hin zu 4G waren nicht kurz genug, um den Anforderungen einer Echtzeitsteuerung zu genügen. Dieser Hinderungsgrund ist mit 5G entfallen, das Latenzen von wenigen Millisekunden ermöglicht. Man unterscheidet zwischen Umlauf- (Round-Trip-) und Einweg-Latenz (Bild 1). Augmented- bzw. Virtual-Reality-Anwendungsfälle benötigen beispielsweise eine kurze Umlauf-Latenzzeit, denn wenn der Techniker mit AR/VR-Brille seinen Kopf bewegt, muss der Bildinhalt sehr schnell aktualisiert werden, um die eingeblendeten Daten mit dem Live- Bild konsistent zu halten. Die Echtzeit-Steuerung einer nicht autonomen Maschine erfordert hingegen eine niedrige Einweg- Latenzzeit. Die Steuerbefehle müssen hier unmittelbar zur Aktion führen, etwa der Haltebefehl an einen Roboter. 34 hf-praxis 8/2021

Messtechnik Bild 2: Netzwerktestphasen 1 bis 4 von der Vorbereitung bis zur 24/7-Überwachung der Dienstqualität im Regelbetrieb Die fünf Phasen des Netzwerktests Wie die Fabrikplanung als Ganzes folgt auch die Implementierung eines Funknetzes einem Phasenmodell. Dieses beinhaltet einen fünfstufigen Testplan. Bild 2 zeigt die ersten vier Stufen, die verifizieren sollen, dass das Netz die strengen Zuverlässigkeits- und Performance- Anforderungen erfüllt. In manchen Ländern, so in Deutschland, sind 5G-Frequenzen für Campus- bzw. private Netze reserviert, deren Nutzung von Fabrikbetreibern beantragt werden kann. Auch die Errichtung und der Betrieb des Netzes sind dann privat zu organisieren, werden in der Regel aber an Dienstleister ausgelagert. In Ländern ohne dedizierte Campus-Frequenzen führt der Weg zur Fabrikvernetzung über die Buchung von Ressourcen bei einem der großen Netzbetreiber, der sein Basisstationsnetz um die Fabrik herum verdichten oder zusätzliche Basisstationen in der Fabrik installieren wird, um den Anforderungen gerecht zu werden. Phase 1: Vorbereitung der Einführung Soll das Netz auf Basis eines Campus-Frequenzbands aufgebaut werden, ist zunächst festzustellen, ob das Spektrum frei von Interferenzen ist. Die Erfahrung zeigt, dass das für neu zugewiesenes, bisher unbewirtschaftetes Spektrum nicht vorausgesetzt werden kann. Bei den fälligen Messungen kommen Netzwerkscanner (R&S TSMx6), Handheld-Spektrumanalysatoren (R&S FPH/FSH) oder tragbare Funkmessempfänger (R&S MNT100, R&S PR200) zum Einsatz. Phase 2: Abnahmeprüfung vor Ort In der zweiten Phase wird der Betrieb der neuaufgestellten Basisstationen getestet und validiert. Das umfasst einfache Funktionstests wie Download/ Upload-Tests und Umlauf- Latenz-Messungen, ferner HF- Spektrumanalysen over the air (OTA) sowie die Decodierung der Signale zur Verifizierung von PCI-, SSB- und SIB-Informationen für 5G- und LTE- Ankersignale. Die Signaldecodierung hilft außerdem bei der Fehlersuche bei bestimmten Parametern im Falle von Problemen oder unerwarteten Ergebnissen. Auch für diesen Aufgabenkreis hält das Rohde&Schwarz-Produktportfolio die passenden Messgeräte bereit. Für die Funktionstests (DL, UL, Ping/ TWAMP) bietet sich QualiPoc Android an, eine Smartphonebasierte Messsoftware, die die Mobilfunkversorgung aus der Nutzerperspektive bewertet. Für OTA-Spektrummessungen empfiehlt sich der Handheld- Spektrumanalysator R&S FPH (SpectrumRider), während die 5G Site Testing Solution R&S 5G STS ein umfassendes mobilfunktechnisches Lagebild liefert, mit dem etwaige Schwachstellen und Problemfelder schnell aufgedeckt werden können. Phase 3: Abdeckungs- und Leistungstest Jetzt folgt die Probe aufs Exempel. Es gilt sicherzustellen, dass das Netz im gesamten Werk- hf-praxis 8/2021 35

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