Bereitstellen privater 5G-Netzwerke in Azure

Die vierte industrielle Revolution, oft als Industrie 4.0 bezeichnet, ist da. Industrie 4.0 ermöglicht moderne industrielle Anwendungen, die die Arbeitsweise von Unternehmen verändern werden. Diese Anwendungen verfügen über eine höhere Verarbeitungsleistung und bessere Konnektivität. Sie erfassen und verarbeiten Daten in einer Organisation, damit Unternehmen strategischer und effizienter arbeiten können. Die Entwicklung von Unternehmen macht Lösungen notwendig, die diese Workloads verarbeiten können.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, brauchen moderne Unternehmen sowohl private 5G-Netzwerke als auch Multi-Access Edge Computing-Lösungen (MEC). Private LTE/5G-Netzwerke bieten Unternehmen die benötigte Geschwindigkeit, Sicherheit, Mobilität und Servicequalität, um Daten effizient zu verarbeiten. Edgecomputing unterstützt latenzempfindliche Industrieanwendungen sowie eine latenzorientierte Verortung von Daten und ermöglicht die schnelle Verarbeitung zeitkritischer Daten am Edge.

Damit Unternehmen die Vorteile privater LTE/5G-Netzwerke nutzen können, müssen einige Herausforderungen berücksichtigt werden. Zu diesen Herausforderungen gehören die Reduzierung der Komplexität von Betrieb und Technik, die Sicherstellung einer durchgängigen Transparenz für Unternehmen mit mehreren Standorten, sichere Zugriffsmöglichkeiten und die Verbesserung der Bereitstellung automatisierter, softwarebasierter Lösungen.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat Microsoft einen Ansatz eingeführt, der verwaltete Azure-Dienste, z. B. Plattform- und Netzwerkdienste, mit einem Funk- und Anwendungsökosystem unabhängiger Softwarehersteller kombiniert. Die Lösung ist ein für Unternehmen erstellter vollständig integrierter privater 5G-Netzwerkdienst. Die Liste der Mobilfunknetzbetreiber und Anbieter von verwalteten Diensten, die diese Dienste bereitstellen und verwalten, wächst ständig. Die Lösung kombiniert Azure, Azure-Netzwerkfunktionsmanager, Azure Arc, Azure Stack Edge, Azure Kubernetes Service und Azure Private 5G Core. Diese Dienste werden alle in der Azure-Cloud verwaltet und orchestriert.

Dieser Ansatz berücksichtigt die Komplexitäts- und Kostenprobleme von Systemintegratoren und Unternehmen. Sie ermöglicht Unternehmen die Bereitstellung leistungsfähiger privater 5G-Netzwerke mit erweiterter Sicherheit, die die Einführung moderner industrieller Anwendungen positiv beeinflussen können.

Dieser Artikel ist der erste Teil von zwei Artikeln, in denen erläutert wird, wie Systemintegratoren und Netzbetreiber mithilfe von Azure-Diensten private Netzwerke für Unternehmen erstellen können. Diese Netzwerke nutzen die Vorteile einer Hyperscale-Cloud und einer integrierten MEC-Architektur, um Kapital- und Betriebskosten zu senken, Innovationen zu fördern und neue Umsatzchancen zu eröffnen.

5G-fähige private Netzwerke

5G-fähige private Netzwerke transformieren Telekommunikationsdienste. Wichtige Funk- und Kernnetzfunktionen in 5G ermöglichen die verdichtete Bereitstellung von eMBB (enhanced Mobile BroadBand), URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications) und mMTC (massive Machine-Type Communications). Dies ermöglicht es Netzbetreibern, neue Dienste für Entwickler leistungsfähiger Industrieanwendungen anzubieten, die die Einführung neuer kommerzieller Modelle ermöglichen.

Verbraucherbasierte Angebote wie Sprach-, Text-, Daten- und Videoübertragung bleiben fester Bestandteil des Serviceportfolios von Telekommunikationsanbietern. Neue unternehmensbasierte Angebote wie private LTE/5G-Netzwerke für Robotik, Video-KI, IoT im großen Umfang für Digital Twin-Anwendungen und Augmented Reality-Funktionen mit Geräten wie HoloLens eröffnen Netzbetreibern jedoch neue Umsatzchancen. Um diese Dienste bereitzustellen, müssen Telekommunikationsanbieter über die herkömmliche Telekommunikationsnetzwerkarchitektur hinaus Hyperscale-Cloud und MEC intensiver nutzen.

Mehrere Faktoren motivieren die Implementierung privater Mobilfunknetze für Unternehmen:

• Die Skalierungs- und Reichweitenbeschränkungen aktueller Funksysteme in Gebäuden
• Der steigende Umfang von generierten Daten und Videos
• Die erhöhte Notwendigkeit größerer Mobilität und Sicherheit sowie die erforderliche Echtzeitdatenverarbeitung

Die Kombination von 5G, MEC und Cloud ermöglicht die Erstellung privater Funknetzwerke, die schnell, extrem sicher und skalierbar sind sowie Anwendungen für Analytikfunktionen nutzen können, die am fernen Edge, in der Cloud oder für Hybridstandorte ausgeführt werden.

Nachstehend sind einige Branchenanwendungsfälle aufgeführt, deren Realisierung private 5G-Netzwerke unterstützen können:

Ein wichtiger Anwendungsfall von privaten 5G-Netzwerken sind 5G-Unternehmensdienste, da diese Funktionen als Stütze komplexerer Dienste wie Smart Spaces und Industrie 4.0-Anwendungen dienen. Trotz der Vorteile eines privaten 5G-Netzwerks bleiben dennoch Herausforderungen, die Netzbetreiber und Unternehmen bewältigen müssen. Die größte Herausforderung ist die Komplexität der Bereitstellung und Verwaltung eines 5G-Netzwerks in einer Unternehmensumgebung. Für 5G-Netzwerke gelten Überlegungen, die außerhalb der herkömmlichen Unternehmensqualifikationen liegen, vom Hochfrequenzdesign bis hin zu 5G-Mobilfunkkernnetzarchitekturen. Außerdem sind bei Telekommunikationsanbietern u. U. das technologische Portfolio oder die erforderlichen Mindestressourcen nicht vorhanden, die für die kostengünstige Bereitstellung von 5G-Netzwerken und cloudverwaltetes Edgecomputing in einer Unternehmensumgebung erforderlich sind.

Microsoft schlägt einen vereinfachten MEC-as-a-Service-Ansatz vor, der eine globale Hyperscale-Cloudplattform mit Netzwerkkomponenten wie einem cloudnativen, eigenständigen 5G-Kernnetz kombiniert, der mehrere Cloudanwendungen unterstützt. Dieser Ansatz bietet Unternehmen die Möglichkeit, Daten in ihren Netzwerken zu erfassen und latenzempfindliche Daten effizient am Edge zu verarbeiten, umfangreiche Datenmengen jedoch weiterhin in Azure zu verarbeiten.

Vorteile privater 5G-Netzwerke

Die Einführung von 4G und der Zugang zu freigegebenen Frequenzbereichen wie CBRS in begrenzten geografischen Regionen haben die Ökonomie privater 5G-Netzwerke verändert. Diese Änderung ist erfolgt, weil Unternehmen damit in die Lage versetzt wurden, dedizierte private Mobilfunknetze, die kleinzellige Technologien und virtualisierte Netzwerkfunktionen verwenden, bereitzustellen und damit zu experimentieren. 5G RAN und Kernnetzoptimierungen erweitern die Fähigkeiten, z. B. höhere Geschwindigkeiten, extrem geringe Latenz, Sicherheitsmethoden und Kosteneffizienz. Diese 5G-Eigenschaften sind in Branchen wie Fertigung und Transport von entscheidender Bedeutung, da die Herausforderungen der geografischen Abdeckung und der zunehmenden Nutzung von IoT-Anwendungen verbesserte Netzwerkeigenschaften erforderlich machen.

Von diesen Eigenschaften können, wie in den folgenden Abschnitten beschrieben, mehrere vertikale Branchen profitieren.

Zuverlässige Abdeckung

Viele Branchen- und Unternehmensanwendungen benötigen Konnektivität, die über die eingeschränkte Abdeckung von kabelgebundenen und WLAN-Technologien hinausgeht, die in betriebstechnischen Umgebungen üblich sind. 4G- und 5G-Funkgeräte nutzen dedizierte Frequenzbereiche, um dynamische Störungen zu begrenzen und die Übertragungsleistung zu erhöhen. Die damit einhergehende mögliche Mobilität bietet hohe Leistung, hohe Kapazität und kostengünstige drahtlose Konnektivität an weiträumigen Standorten. Solche Standorte sind u. a. Flughäfen, Seehäfen, Tagebaustätten, Verteilungszentren, Universitätsgelände und Baustellen. Die flexible Verwendung verschiedener möglicher Frequenzbereiche sorgt für eine optimale Abdeckung und optimale Datenraten für Anwendungsfälle im Innen- und Außenbereich.

Höherer Durchsatz

Die 4G-Technologie ist in der Lage, den für viele private Netzwerkanwendungen erforderlichen Durchsatz bereitzustellen. 5G kann aber das 10- bis 20-Fache des Durchsatzes von 4G liefern, was den Bereich der Anwendungen erweitert, die drahtlos unterstützt werden können. In Zukunft mögliche Frequenzbereiche wie Millimeterwellen für den Innenbereich ermöglichen auch in HF-Umgebungen mit vielen Störungen eine höhere Gerätedichte. So entsteht ein skalierbares Netzwerk.

Geringe Wartezeit

5G-Netzwerke weisen eine Latenz auf, die Größenordnungen kleiner ist als die von 4G-Netzwerken. Eine geringe Latenz ist wichtig für zeitkritische Anwendungen wie Robotersteuerungen, die in der Regel eine zulässige Roundtriplatenz von höchstens 10 ms aufweisen. 5G-Netzwerke, in denen Anwendungen in lokalen Edgecomputingeinrichtungen bereitgestellt werden, können diese Latenzanforderungen problemlos erfüllen.

Unterstützung des deterministischen Zugriffs

5G-Funk unterstützt entwurfsbedingt einen deterministischen Zugriff. Dieser Entwurf legt eine garantierte Obergrenze für Latenz und Jitter fest, was für viele Anwendungen wichtig ist. In dieser Kategorie kommt 5G der Leistung von kabelgebundenem Ethernet weitaus näher. Dank 5G können Anwendungen, für die früher kabelgebundene Verbindungen erforderlich waren, jetzt kabellos arbeiten.

Verortung von Daten und Datenschutz

Bei der Verwendung herkömmlicher Unternehmensnetzwerke können Unternehmen die Datenexposition effektiv auf bestimmte geografisch begrenzte Regionen beschränken. Durch die weit verbreitete Einführung von Funktechnologien hatte die Möglichkeit, die Datenexposition zu begrenzen, jedoch den Nachteil, dass der Zugriff eingeschränkt werden muss. Private 5G-Netzwerke ermöglichen in Kombination mit Edgecomputing eine bessere Transparenz und Kontrolle über den Standort, an dem auf Daten zugegriffen wird und diese verarbeitet werden. Diese Transparenz und Kontrolle stärken die Datenhoheit des Unternehmens. Private 5G-Netzwerke und Edgecomputing bieten die Möglichkeit, hochsensible Informationen lokal mit erhöhter Sicherheit aufzubewahren und nicht – selbst für den Netzbetreiber – über externe Netzwerkverbindungen verfügbar zu machen.

Einfacher Betrieb

Netzbetreiber müssen aufgrund der Notwendigkeit eines kabelgebundenen, WLAN-gestützten und zunehmend mobilen Breitbandzugriffs auf Unternehmensressourcen mehrere Versionen der Netzwerktechnologie sowie Zugriffskontroll- und andere Sicherheitsfunktionen implementieren. Private Funknetzwerke bieten IT-Teams von Unternehmen die Möglichkeit, eine vereinfachte Zugriffsarchitektur zu erstellen, die für Mitarbeiter im Büro und außerhalb des Büros funktioniert.

Geringerer Rücktransport

Einige Arten von Industrie- und Unternehmensanwendungen, z. B. hochauflösende Videokameras für Überwachung oder Inspektion, generieren große Datenmengen. Diese Anwendungen umfassen in der Regel einen Mix aus Speicherung und Analyse. Sie sind in der Regel nicht sehr latenzempfindlich. Es ist jedoch sinnvoll, diese Anwendungen in lokalen Computeeinrichtungen bereitzustellen, um die hohen Kosten für den Rücktransport großer Datenmengen in eine zentrale Cloud zu vermeiden. Private 5G-Netzwerke machen diese Bereitstellung möglich. Die Konnektivität mit zentralen Cloudeinrichtungen muss dann nur zusammengefasste Daten verarbeiten, z. B. Informationen zu Ereignissen, für die Aktionen erforderlich sind und die von der lokalen Analyse erkannt wurden.

Verbesserungen bei der Einhaltung gesetzlicher und regulatorischer Bestimmungen

Private 5G-Mobilfunknetze ermöglichen nicht nur eine lokale Datenhaltung. Sie helfen Unternehmen auch beim Schutz vor Bedrohungen für ihre Informations- und Kommunikationssicherheit. 5G verfügt über mehr integrierte Sicherheitsmechanismen als jede frühere Generation von Mobilfunktechnologien und bietet erweiterten Schutz vor komplexen Angriffen wie IMSI-Catcher und Stingray. Durch die Verwendung mehrerer eingebetteter Azure-Sicherheitsebenen und Tools wie Defender for Cloud kann der Netzbetreiber kritische Workloads und Anwendungen mit höherer Sicherheit bereitstellen, überwachen und betreiben – sogar am Edge zum Kunden.

Fallstudie für ein privates 5G-Netzwerk: Fertigung

Intelligente Geräte, Automatisierung, Cloud und mobile Breitbandtechnologien befeuern die Industrie 4.0-Revolution. Diese Revolution wiederum erzeugt Bedarf für private 5G-Netzwerke in der Fertigungsindustrie, die der führende Abnehmer von privaten 5G-Netzwerken ist. Private 5G-Netzwerke können für Hersteller, die intelligente Geräte verbinden und Telemetriedaten verwenden möchten, um Echtzeitentscheidungen zu unterstützen und die betriebliche Effizienz zu verbessern, als Grundlage dienen. Die Möglichkeit, Netzwerkdaten effizient in der Cloud zu verarbeiten, hilft Herstellern auf vielfältige Weise:

Wartungsvorhersage

• Qualität von Überwachung und Nachverfolgung
• Reduzierung von Maschinenverschleiß, Ausfällen und Engpässen
• Verbesserung der Betriebseffizienz

Intelligente Fabriken

• Verbundene Fabrikanwendungen
• Anwendungen für Personalsicherheit und Steuerung der Luftgüte
• Zugriffssteuerung (Sicherheit) und intelligente Analysen

Fertigungsvorgänge

• Assetmanagement, intelligente Fertigung und Bestandsverwaltung
• Leistungsoptimierung und -überwachung
• Durchgängige operative Transparenz

Der Microsoft-Ansatz für private 5G-Netzwerke eignet sich ideal für IoT- und Industrie 4.0-Anwendungen. Die Möglichkeit, Daten auf einer einzelnen lokalen Plattform zu verarbeiten und ausgewählte Daten für die Verarbeitung in Azure intelligent zurück zu transportieren, ermöglicht eine Entscheidungsfindung und Automatisierung in Echtzeit mit geringer Latenz. Eine Reduzierung des Datenverkehrs für den Rücktransport senkt außerdem die Kosten für das Unternehmen und den Netzbetreiber.

Mit dem Zero Trust-Modell von Azure kann sichergestellt werden, dass Fertigungsdaten sicher bleiben, wenn sie zwischen mobilen Netzwerkfunktionen, Unternehmen und Cloud übertragen werden. Diese Sicherheitsverbesserungen befreien Netzbetreiber auch von der Aufgabe, für die Sicherheit von Kundendaten bei der Übertragung oder Speicherung zu sorgen.

Der Weg von Telekommunikationsunternehmen zu privaten 5G-Netzwerken

Private 5G-Netze befinden sich an der Schnittstelle zwischen dem herkömmlichen lokalen Unternehmensnetzwerk, spezialisierten Industrienetzwerken und dem öffentlichen Mobilfunknetz. Sie bieten Netzbetreibern die Möglichkeit, ihre 5G-Dienste auf neue Märkte auszuweiten.

Bei der Überlegung, wie private 5G-Netzwerke bereitgestellt werden können, kommen für viele Unternehmen vorzugsweise Mobilfunknetzbetreiber als mögliche Lieferanten infrage. Unternehmen betrachten Netzbetreiber als vertrauenswürdige Partner für die Kommunikation, und es bestehen bereits Geschäftsbeziehungen. Die Netzbetreiber haben Erfahrung bei der Bereitstellung und beim Betrieb sicherer und zuverlässiger Mobilfunknetze. Abhängig von den lokalen Lizenzen für Frequenzbereiche kann es gesetzliche Anforderungen oder Auflagen für den Frequenzbereich geben, die bewirken, dass ein Unternehmen bei der Bereitstellung eines privaten 5G-Netzwerks mit einem Mobilfunkanbieter zusammenarbeiten muss.

Einige Netzbetreiber betrachten private 5G-Netze u. U. als natürliche Erweiterung ihrer öffentlichen Mobilfunknetze. Sie können ihre vorhandenen Netzwerkressourcen nutzen und Network Slicing verwenden, um den mobilen Datenverkehr von Unternehmen in öffentlichen Netzwerken sicher zu partitionieren. Unternehmen wünschen sich jedoch ein dediziertes Netzwerk mit lokaler Konnektivität und mehr Kontrolle, als mit diesem Ansatz möglich ist. Darüber hinaus werden öffentliche Netzwerke in erster Linie für den mobilen Breitbandmarkt erstellt. Sie sind hochgradig für diesen Zweck optimiert. Unternehmensanwendungen stellen neue und andere Anforderungen an Netzwerke, die nicht die erforderliche Flexibilität bieten. Die Industrie benötigt ein edgebasiertes privates Funknetzwerk, das auch eine tiefe Integration in das Netz des Netzbetreibers zulässt. Unternehmen müssen die Flexibilität von 5G nutzen.

Eine private 5G-Netzwerklösung, die Netzbetreiber und Unternehmen gleichermaßen zufrieden stellt, muss drei entscheidende Merkmale aufweisen:

• Verwaltete Konnektivität. Viele Unternehmen haben Erfahrung mit der Verwaltung ihres WLAN-Netzwerks und mobiler Zugriffspunkte. Nur wenige haben Erfahrung in Hinblick auf 4G/5G-Funknetzwerkentwurf, SIM-Aktivierung und Bereitstellung von durchgängigen Lösungen. Diese Situation stellt eine Möglichkeit für Netzbetreiber dar, eine verwaltete Funk- und Frequenzbereichslösung bereitzustellen, die die Anforderungen von Unternehmen erfüllt.

• Verwaltete Dienste. Ein Partner, der private durchgängige 5G-Netzwerke bereitstellen und verwalten sowie Anwendungen entwickeln und liefern kann, bietet dem Unternehmen einen erheblichen Nutzen. Die Verlagerung der gesamten Lösungsverwaltung in eine zentrale, cloudbasierte Umgebung ermöglicht es Netzbetreibern und Anbietern von verwalteten Diensten, durchgängige verwaltete Dienste von einem einzelnen Standort aus bereitzustellen. Die Nutzung der Automatisierungs-, Sicherheits- und Skalierungsfunktionen cloudbasierter Architekturen ist unabdingbar, um Unternehmen ein klares ROI-Modell für die Einführung privater 5G-Netzwerke zur Verfügung zu stellen.

• Verwaltete Anwendungen. Anwendungsfälle für private 5G-Netzwerke sind genauso einzigartig wie die Unternehmen, in denen sie eingesetzt werden. Beispielsweise hat eine Ölbohrplattform auf See nicht die gleichen Probleme wie ein Automobilhersteller. Um diesen unterschiedlichen Anwendungsfällen gerecht zu werden, muss eine flexible und einfache Konfiguration, Bereitstellung und Verwaltung von Edgeplattformen und Netzwerken möglich sein.

Die Installation und Verwaltung von privaten Funknetzwerken mit den gewünschten MEC-Anwendungen wird sowohl für den Netzbetreiber als auch für das Unternehmen vereinfacht.

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Beitragende

Dieser Artikel wird von Microsoft gepflegt. Er wurde ursprünglich von folgenden Mitwirkenden geschrieben:

Hauptautor:

• Rick Lievano | Director of Business Strategy

Andere Mitwirkende:

• Mick Alberts | Technical Writer

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Nächste Schritte

• Was ist Azure Private 5G Core (Vorschauversion)?
• Schlüsselkomponenten eines privaten Mobilfunknetzes
• Entwurfsanforderungen für private mobile Netzwerke
• Lernpfad: Bereitstellen von 5G-Diensten mit Azure

Zugehörige Ressourcen

• Lösungen für die Telekommunikationsbranche
• Konfigurationsmuster für Edgeworkloads
• Erstellen eines privaten 5G-Netzwerks