COM-HPC-Standard in Kommunikationsinfrastrukturen Modulare 5G-Zellen für die Echtzeitkommunikation

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congatec GmbH

Echtzeitfähige 5G-Zellen mit integrierten Edge-Servern sind eine Schlüsseltechnologie für die digitale Transformation und eröffnen viele neue Möglichkeiten im IIoT-, Indus­trie-4.0- und KRITIS-Umfeld. Sie müssen jedoch für die latenzarme Echtzeit-Datenverarbeitung für raue Umgebungsbedingungen in den Fabriken und im Outdoor-Betrieb besonders gehärtet sein.

Die digitale Transformation in der industriellen Fertigung braucht schnelle und echtzeitfähige Netze. Man kann jedoch nicht überall ein Kabel verlegen. Der echtzeitfähige 5G-Standard ist deshalb eine echte Revolution für die industrielle Kommunikation, da nun eine zuverlässige, flexible Verteilung und Verarbeitung riesiger Datenmengen in Echtzeit auch kabellos, und vor allem auch über weitere Strecken als mit WLAN, möglich wird. Das Netz kann zudem universell von stationären und mobilen Devices genutzt werden, was vollständig vernetzte Fabriken ermöglicht. 5G kann hierzu eine grosse Dichte vernetzter Geräte verwalten und bietet kurze Reaktions- und Latenzzeiten im Millisekunden-Bereich. Ausserdem eröffnet das 5G mit Netzwerk-Slicing die Möglichkeit, virtuelle, voneinander unabhängige Netzwerke zu schaffen, die logisch durch ein einziges physisches Netzwerk getrennt sind.

Private 5G-Infrastrukturen für geschäftskritische Anwendungen

Schluss­endlich bietet 5G auch die Basis zur Einführung Cloud-nativer Architekturen, die über das 5G-basierte Edge-Computing zu echtzeitfähigen Fog-Servern werden, die kabellos mit Devices aller Art kommunizieren können.

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Durch die Bereitstellung des Frequenzbereichs von 3,7 bis 3,8 GHz für private Mobilfunknetze können mit 5G unterschiedlichste Campusnetze im Bereich Industrie 4.0 wie auch für kritische Infrastrukturen in vielen weiteren Branchen genutzt und privat betrieben werden. Die Skalierbarkeit einer eigenen Infrastruktur sowie die Kompatibilität der bisherigen Mobilfunkgenerationen, die man auch für die Zukunft erwarten darf, bieten zudem eine hohe Investitionssicherheit. Immer mehr Unternehmen setzen für ihre geschäftskritischen Anwendungen und die digitale Transformation ihrer Produktion deshalb auf den On-Premises-Aufbau eigener privater 5G-Netze – ein Trend, der sich in den kommenden Jahren laut einer aktuellen Studie von Marketsand Markets noch weiter verstärken wird.

Unternehmen können zwar auch das öffentliche Netz nutzen. Liegt man jedoch im ländlichen Bereich und nutzt die öffentliche Basisstation (aka Makrozelle), das 700-MHz-Band, um Reichweiten von 15–20 km zu realisieren, dann ist die Datenrate allerdings auf 100 bis 200 Megabit pro Sekunde beschränkt. Grosse Automobilwerke könnten so zwar das komplette Werksgelände, das beispielsweise bei VW am Mittellandkanal in Wolfsburg eine Gesamtfläche von mehr als 6 Quadratkilometern umfasst, mit nur einer solchen 5G-Zelle versorgen, die verfügbare Bandbreite reicht für eine komplett vernetzte Fabrik aber nicht aus. Es ist vielmehr die gesamte Bandbreite der 5G-Datendurchsatzkapazität erforderlich, weshalb Unternehmen eigene Campusnetzwerke aufbauen wollen. Die 3,7 bis 3,8 GHz Frequenz solcher Netze lassen einen maximalen Upstream von rund 100 bis 200 Mbit/s zu und Downloads von rund 200 bis 1000 Mbit/s. Die Zellenreichweite ist jedoch auf rund 300 Meter bis 3 Kilometer bei direkter Sicht beschränkt. Eine höhere Anzahl an Funkzellen im Werk ist deshalb erforderlich. Sie werden dann beispielsweise Small Cells oder Femtocells genannt, können aber auch entsprechend klein und kompakt ausgelegt werden. So haben Small Cells in etwa die Grösse einer Pizzabox. Femtocells sind noch kleiner und haben – ohne integrierte Edge-Server-Technologie – in etwa Taschenbuchgrösse und können sogar von Privatpersonen gekauft werden.

Neue Performancedimensionen durch robuste 5G-Edge-Servertechnologie

Die Edge-Server-Infrastruktur hinter diesen Zellen sollte bei solchen Installationen idealer­weise direkt in beziehungsweise an der Basisstation/RAN-Infrastruktur (Radio Access Network / Funkzugangsnetze) der 5G-Mikrozellen über VNF-Deployments (Virtual Network Functions) bereitgestellt werden, wobei auch weitere Einsatzszenarien an anderen Stellen der Infrastruktur, wie zum Beispiel in Mikrorechenzentren, möglich sind, solange die Latenz-Anforderungen erfüllt werden. Der Vorteil einer gemeinsam genutzten Hardware-Plattform besteht darin, dass sowohl die Cloud-Edge-​Serverfunktionalität wie auch die Network Function Virtualization (NFV) gemeinsam in der Zentraleinheit (Centralized Unit, CU) bereitgestellt werden können.

Zu integrieren in solche Zellen ist zum einen die Hardware, die für die Erzeugung und Verarbeitung der 5G-Signale erforderlich ist und damit die physikalische Schnittstelle zwischen dem 5G-Funknetz und digitalem Basisband bildet, sowie die für die jeweiligen Edge-Server-Funktionen benötigte Serverperformance. Da diese von Applikation zu Applikation unterschiedlich sein kann, empfiehlt sich ein modularer Aufbau mittels Server-on-Modules-Konzept, bei dem die applikationsspezifischen Funktionen auf dem Trägerboard gelöst werden können – inklusive 5G-Funklogik beispielsweise über entsprechende Erweiterungsmodule. Mit Server-on-Modules auf Basis des neuen PICMG-​Standards COM-HPC und den auf ihnen verfüg­bar gewordenen neuen Intel-Xeon-D-​Prozessoren steht Entwicklern nun eine bislang unerreichbare Performanceklasse für raues Umfeld zur Verfügung. Sie können im erweiterten Temperaturbereich von –40 °C bis 85 °C betrieben werden und kommen in einer Auslegung daher, die zum einen langzeitverfügbar ist und zum anderen auch für raues Umfeld mit hoher Robustheit gegen elektromagnetische Interferenzen sowie Schocks und Vibrationen geschützt ist.

Für die nötige Leistung sorgen die bis zu 20 Kerne, der Arbeitsspeicher mit bis zu 1 TB auf bis zu 8 DRAM-Sockeln bei 2933 MT/s, bis zu 47 PCIe Lanes vom Modul insgesamt und 32 PCIe Gen 4 Lanes mit doppeltem Durchsatz pro Lane sowie bis zu 100-GbE-Konnektivität und Support von Time Coordinated Computing (TCC) und Time Sensitive Networking (TSN) als essenzielle Features für die Echtzeitkommunikation zwischen Devices. Diese Performance wird zukünftig mit neuen Modulen noch deutlich steigen. Diese heute schon verfügbare Performance reicht jedoch bereits für aktuell im Angebot befindliche Campusnetz­auslegungen vollkommen aus, bei denen Lösungen auf Basis von Open-RAN für den Backhaul Packet Core Server sowie die Midhaul CU und DU Server insgesamt 5 Serverprozessoren nutzen, die jedoch eine Rack-Klimatisierung erfordern und nicht im erweiterten Temperaturbereich eingesetzt werden können. Konsolidiert man jedoch diese Funktionen in eine einzige Mikrozelle, ist es auch denkbar, weniger performante, aber echtzeitfähige kleine 5G-Zellen auf nur zwei virtualisierten Modulen umzusetzen.

Deterministische Echtzeit mit Cloud- Native-Virtualisierung

Für den voneinander unabhängigen Betrieb unterschiedlicher Echtzeit-Applikationen auf nur einem Edge-Server werden zudem Server-Balancing- und Server-Consolidation-Services benötigt. Sie sind auch für die plattformseitige Unterstützung echtzeitfähiger virtueller Maschinen erforderlich, die die Server-Funktionalität für die Kommunikation der 5G-Clients als Teilnehmer bereitstellen. Zum Einsatz kommen kann hierfür beispielsweise der Echtzeit-Hypervisor von Real-Time Systems. Mit einer derartigen Virtualisierung können Unternehmen dann ihre privaten 5G-Netze mittels Network Slicing für heterogene Echtzeitapplikationen nutzen, die auf nur einer einzigen Serverpattform gehostet werden. So können sie einzelnen Tasks und Prozessen dedizierte Systemressourcen zuweisen, um Determinismus sicherzustellen. Server-on-Modules von congatec sind dafür vorbereitet und können schnell mit den erforderlichen Parametrierungen für Echtzeit-Kollokationsdienste versehen werden, bei denen sich unterschiedliche Anwendungen Ressourcen gemeinsam teilen. So können Fabrikbetreiber ihre echtzeitfähigen 5G-Edgedatenserver effizienter für die unterschiedlichen Dienste wie Maschinenautomation, Robotersteuerung oder die automatisierte Logistik in der Fertigung bereitstellen.

Ein weiterer Vorteil der neuen Module ist, dass sie bereits Time-Sensitive Networking (TSN) nativ im Prozessormodul integriert haben, sodass sie – bei entsprechendem TSN-​Support auch durch die 5G-Core-Logik – zum Beispiel mittels OPC UA als offenem Echtzeit-Kommunikationsprotokoll einen standardisierten Datenaustausch und durchgängige, transparente Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud ermöglichen. Die 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA), die eine Arbeitsgruppe des ZVEI ist, arbeitet hierzu an entsprechenden Spezifikationen zu den QoS, der Netzsicherheit und vor allem auch der TSN-Integration. Damit soll sogar eine jitterfreie isochrone Echtzeit ermöglicht werden, bei der Zykluszeiten der Kommunikationsbeziehungen fest getaktet sind und in beide Richtungen innerhalb von 100 µs bis 2 ms synchronisiert werden können.

Für die COM-HPC-Module wird zudem zukünftig eine Erweiterung der Spezifikation für Funktionale Sicherheit angeboten. Module, die diese Funktionalität unterstützen, könnten dann als zentrale Controller für autonome Intralogistikfahrzeuge wie Schleppfahrzeuge, Stückgutträger, Gabelstapler, Fliessbandfahrzeuge oder Palettenwagen zum Einsatz kommen oder kollaborative Roboter orchestrieren. Dies ermöglicht es, entsprechend vorzertifizierte Computermodule bereitzustellen, damit Kunden ihre Safety-Anwendungen deutlich schneller und einfacher realisieren zu können.

Die All-in-one-Lösung: COM-HPC Server-​on-Modules für 5G Mikrozellen

Die neuen COM-HPC Server-on-Modules revolutionieren das bisherige Edge-Server-Design gleich in drei Dimensionen: Das Rugged Server Design mit den neuen Intel-Xeon-D-​Prozessoren ermöglicht die direkte Implementierung ohne zusätzliche Klimatisierung in den Mikrozellen der privaten 5G-Netze und kann somit nicht nur in Standard-Industrieumgebungen, sondern durch den erweiterten Temperaturbereich jetzt auch im Outdoor-Umfeld und für mobile Anwendungen wie Baumaschinen oder in der Landwirtschaft genutzt werden. Die weltweit ersten COM-HPC Server-on-Modules von Congatec bieten zudem durch eine massiv höhere Speicherbandbreite mit erstmals bis zu 20 verfügbaren Kernen und bis zu 8 DRAM-Sockeln eine deutlich verbesserte Leistung und Skalierbarkeit sowie ausserdem deterministische Echtzeit im industriellen Internet der Dinge. Damit bilden sie die ideale Grundlage für das Design kundenspezifischer 5G-Zellen mit integrierter Edge-Servertechnologie als All-in-One-Lösung.

Für 5G-Netzadministratoren beinhalten die Module zudem einsatzspezifische, hochqualitative Server-Feature-Sets: Für unternehmenskritische Designs stehen leistungsstarke Hardware-Sicherheitsfunktionen wie Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption-Multi-Tenant (Intel TME-MT) und Intel Software Guard Extensions (Intel SGX) zur Verfügung. Für umfassende Remote-Application-Server(RAS)-Funktionalitäten unterstützen Remote-Hardware-Management-​Funktionen wie IPMI und Redfish, für die es auch eine PICMG-Spezifikation gibt. Individuelle Systementwicklungen und kundenspezifische Implementierungen unterstützt Congatec zudem mit umfangreichen Services – von Schulungen zu COM-HPC Designs über persönlichen Integrationssupport bis hin zu Compliance-Tests kundenspezifischer Carrierboard-Designs.

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