Verbundvorhaben: stic5g - Safe TSN for industrial-grade real-time campus 5G

Abstract

Private 5G-Campusnetze sind vielversprechend, insbesondere für industrielle Anwendungen mit Anforderungen an eine hochzuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz (URLLC), da sie dedizierte Frequenzbänder, hohe Zuverlässigkeit, Flexibilität für unterschiedliche Anforderungen, Kosteneffizienz und Energieeinsparung kombinieren. Parallel dazu gewinnt Time Sensitive Networking (TSN) als kommende herstellerunab-hängige Echtzeitlösung für kabelgebundene Ethernet-basierte Kommunikation zunehmend an Bedeutung. Erste Ethernet-basierte Produkte sind verfügbar und stoßen auf großes Interesse in der Industrie. Erweiterungen und Integrationen in bestehende industrielle Kommunikationsprotokolle, wie PROFINET oder Ethernet/IP, sind in Vorbereitung und erste Richtlinien wurden von den entsprechenden Gremien spezifiziert [1]. TSN als 5G-Integration wird auch in mehreren 3GPP-Standards [2] beschrieben, ist aber weder im Detail spezifiziert noch in industrietauglichen Lösungen implementiert. In dieser dynamischen Situation mit einer erheblichen Nachfrage seitens der lokalen, regionalen und internationalen Industrie in Frankreich und Deutschland zielte das Projekt stic5G darauf ab, eine sichere, zuverlässige und echtzeitfähige Ende-zu- Ende-Kommunikation über und in privaten 5G-Campusnetzen mit führenden Industrieunternehmen in Frankreich und Deutschland bereitzustellen. In dem Projekt stic5G wurden die bestehende Kommunikationstechnologien erweitert, um eine industrietaugliche, drahtlose, robuste, echtzeitfähige und sichere Kommunikationslösung für industrielle Anwendungs-fälle ermöglicht. Zu diesem Zweck wurden 5G-Campusnetze aufgebaut, konfiguriert, erweitert und in sogenannte Time Sensitive Networking (TSN) Netze integriert. Darüber hinaus wurden industriellen Standard-Kommunikationsprotokollen (z.B. PROFINET/PROFIsafe) integriert und so die Nutzbarkeit solcher Netze im industriellen Umfeld erhöht und die Erweiterung bestehender industrieller Netzwerke ermöglicht. Ein Demonstrator zeigt den Betrieb und die Leistungsfähigkeit des neuen industriellen 5G-TSN Campus-Netzes. In mehreren Arbeitspaketen wurden die Anwendungsfälle und Anforderungen analysiert, die erforderlichen Funktionsblöcke entwickelt und ein Demonstrator aufgebaut, um die Funktionalität zu testen und die Ergebnisse zu validieren. Diese Ergebnisse kommen der gesamten Lieferkette zugute. So können z. B. Unter-nehmen der Fabrikautomation und der Fertigungsindustrie ihre Produktion effizienter gestalten und gleichzeitig die Zuverlässigkeit verdrahteter Anlagen verringern. Hersteller von Geräten und Anlagen für die Fabrikautomation entwickeln und betreiben ihre Produkte mit Hilfe vor-entwickelter Funktionsblöcke. Das Gleiche gilt für Anbieter, Provider oder Betreiber von Kernnetzen. Die in stic5G entwickelte einheitliche Lösung trägt dazu bei, die Konnektivität in industriellen Umgebungen für Mitarbeiter, Maschinen und Werkzeuge sowohl in Innen- als auch in Außenszenarien zu erhöhen, indem hybride kabelgebundene und drahtlose Netzwerke kombiniert werden, um effizientere und flexiblere Produktionsprozesse zu realisieren. Private 5G campus networks show promise, particularly for industrial applications requiring ultra-reliable, low-latency communication (URLLC), as they combine dedicated frequency bands, high reliability, flexibility to meet varying requirements, cost-effectiveness and energy savings. In parallel, Time Sensitive Networking (TSN) is gaining increasing importance as the upcoming vendor-neutral real-time solution for wired Ethernet-based communication. The first Ethernet-based products are available and are attracting considerable interest within the industry. Extensions and integrations into existing industrial communication protocols, such as PROFINET or Ethernet/IP, are in preparation, and initial guidelines have been specified by the relevant committees. TSN as a 5G integration is also described in several 3GPP standards, but is neither specified in detail nor implemented in industry-ready solutions. In this dynamic situation, with significant demand from local, regional and international industry in France and Germany, the stic5G project aimed to provide secure, reliable and real-time-capable end-to-end communication over and within private 5G campus networks in collaboration with leading industrial companies in France and Germany. The stic5G project expanded existing communication technologies to enable an industrial-grade, wireless, robust, real-time and secure communication solution for industrial applications. Therefore, 5G campus networks were set up, configured, expanded and integrated into TSN networks. Furthermore, industrial standard communication protocols (e.g. PROFINET/PROFIsafe) were integrated, thereby increasing the usability of such networks in industrial environments and enabling the expansion of existing industrial networks. A demonstrator showcased the operation and performance of the new industrial 5G-TSN campus network. In several work packages, the use cases and requirements were analyzed, the necessary functional blocks were developed, and a demonstrator was built to test the functionality and validate the results. These results benefit the entire supply chain. For example, companies in the factory automation and manufacturing sectors can make their production processes more efficient whilst reducing the reliability of wired systems. Manufacturers of factory automation equipment and systems develop and operate their products using pre-developed function blocks. The same applies to suppliers, providers or operators of core networks. The unified solution developed in stic5G helps to increase connectivity in industrial environments for staff, machines and tools in both indoor and outdoor scenarios by combining hybrid wired and wireless networks to achieve more efficient and flexible production processes.