Hoch verfügbare Kommunikationslösungen durch Redundanz

Redundante Datenkommunikation für kritische Infrastrukturen

Warum Sie auf redundante Kommunikationslösungen setzen sollten.

Durch die Kombination zweier unterschiedlicher Technologien lässt sich die Verfügbarkeit Ihrer Anlagen maßgeblich steigern. Das Mobilfunknetz (GPRS/UMTS/LTE) ist in Deutschland sehr zuverlässig und bietet somit eine generell gute Verfügbarkeit. Trotzdem gibt es immer wieder regionale und überregionale Ausfälle bei den Mobilfunkprovidern. Hinzu kommt, dass das Mobilfunknetz vom Stromnetz abhängig ist, da die einzelnen Basisstationen über keinen, bzw. nur über einen kleinen Energiepuffer verfügen. Das hat zur Folge, dass im Falle eines Stromausfalls bereits nach kurzer Zeit keine Kommunikation mehr über das Mobilfunknetz möglich ist. So ist z.B. in Gronau vor kurzem der Strom ausgefallen, die Störung dauerte eine gute halbe Stunde. Das reichte bereits um das Mobilfunknetz zusammenbrechen zu lassen.

Aus diesem Grund betreiben Behörden wie Polizei oder auch Feuerwehr ein eigenes Funknetz, das die Handlungsfähigkeit auch in Krisenfällen sicherstellt.

Für alle nicht kritischen Anwendungen ist ein kurzfristiger Ausfall des Mobilfunknetzes zwar ärgerlich meist aber noch tragbar. Für kritische Anwendungen, wie z.B. die Datenkommunikation innerhalb des Energienetzes ist eine höher verfügbare Kommunikation hingegen unabdingbar. Leitwarten, Umspannwerke oder auch Kraftwerke sollten zwingend über zwei voneinander unabhängige Kommunikationskanäle verfügen. Ein Dual-Sim Router erhöht zwar die Verfügbarkeit, da Störungen bei einem Mobilfunkprovider durch den zweiten Provider abgefangen werden, bei einem Stromausfall bricht dennoch die Kommunikation über das Mobilfunknetz zusammen.

Redundante Kommunikationslösungen in der Praxis

Hoch verfügbare Kommunikationslösungen durch Redundanz
Das Schaubild zeigt ein redundantes Kommunikationsnetz, bei dem der Mobilfunk ausgefallen ist. Die Kommunikation der wird nun vom privaten UHF-Funknetz übernommen. Dies geschieht automatisch durch Kommunikationsprotokolle wie dem VRRP-Protokoll.

Durch den verstärkten Einsatz von dezentralen Stromerzeugern (Photovoltaik, Windturbinen) und der damit verbundenen Belastung für das Stromnetz, werden kritische Netzsituationen häufiger. Dadurch steigt der Steuerungsaufwand für den Netzbetreiber und die Wahrscheinlichkeit für einen Stromausfall nimmt zu.

Auch leitungsgebundene Kommunikation über Glasfaser oder Kupferkabel ist nicht immun gegen Störungen und Stromausfälle, da z.B. aktive Netzkomponenten wie Router oder Switches auf eine funktionierende Stromversorgung angewiesen sind. Zudem ist der Energiebedarf dieser Systeme besonders hoch, was eine längere Notstromversorgung erschwert. Daher sollte auch in diesem Fall ein zusätzlicher Kommunikationskanal zur Verfügung stehen.

Unterschiedliche Redundanzkonzepte

Redundanz der Verbindung

Redundanz der Verbindung

Beide Verbindungswege existieren parallel, es wird aber im Normalfall nur über die Breitbandverbindung (Mobilfunk oder Leitungsgebunden) kommuniziert. Alle Daten werden über den primären Kommunikationsweg geleitet. Kommt es zum Ausfall, findet über VRRP (virtual router redundancy protocol) ein automatischer Wechsel auf das private Funknetz statt, das als sekundärer Kanal dient. Das private Funknetz überträgt nun die zum Betrieb kritischen Daten. Daten die im Störungsfall nicht benötigt werden (z.B. Videoüberwachung), werden zu Gunsten der Bandbreite nicht mit übertragen.

Trennung von kritischen und unkritischen Daten

Trennung von kritischen und unkritischen Daten

Bei diesem Konzept sind beide Kommunikationskanäle durchgängig parallel aktiv. Der Breitbandkanal überträgt alle Daten, die nicht kritisch für den Betrieb des Systems sind. Das können z.B. Videosignale, Monitoringdaten oder Nutzdaten von Smart Metern sein. Über das private Funknetz werden separat die Steuerungsdaten übertragen, die auch und vor allem in kritischen Netzsituationen und bei Spannungsausfall benötigt werden. Der Vorteil besteht hier in den kalkulierbaren Signallaufzeiten des UHF Datenfunks, wodurch Echtzeitanwendungen realisierbar sind. Durch die niedrige Leistungsaufnahme der UHF-Datenfunkrouter lässt sich eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung für das private Funknetz einfach und ohne große Batteriekapazitäten aufbauen.

Verfügbarkeit in Zahlen

Was bedeutet also eine hohe Verfügbarkeit in der Praxis? Anhand der folgenden Tabelle mit beispielhaften Werten wird verdeutlicht, welche Unterschiede zwischen guter und hoher Verfügbarkeit bestehen. Was bedeutet ein Sprung von recht guten 99,7% zu 99,999%?

Technologie Verfügbarkeit Ausfall Minuten Ausfall Stunden Ausfall Tage
Mobilfunk Bsp. 1 94,300 % 29959,2 499,3 20,8
Mobilfunk Bsp. 2 98,800 % 6307,2 105,1 4,4
Mobilfunk Bsp. 3 99,700 % 1576,8 26,3 1,1
Mobilfunk + Datenfunk Redundanz 99,999 % 5,3 0,1 0,0

Im Normalfall wird im Mobilfunknetz bei Einsatz eines Providers eine Verfügbarkeit von ca. 94,3% erreicht. Dies schlägt sich in einem Ausfall von 21 Tagen im Jahr nieder. Selbst bei Einsatz eines Dual-SIM-Konzeptes mit zwei unterschiedlichen Mobilfunkprovidern lässt sich die Verfügbarkeit „nur“ auf 99,7% steigern, was in etwa 4 Tage Kommunikationsausfall im Jahr bedeutet. Für viele Anwendungen reicht diese Verfügbarkeit bereits aus.
Wenn es aber in kritische Anwendungen geht, in dem die Kommunikation auch bei einem Stromausfall zur Verfügung stehen muss, reichen diese Werte nicht aus. Nur durch die Kombination zweier unabhängiger Kommunikationslösungen (z.B. Mobilfunk kombiniert mit einem privaten UHF-Datenfunknetz) wird eine stabile und robuste Kommunikation und damit eine Schwarzfall-Sicherheit erreicht.

Erfahren Sie mehr über UHF Datenfunkrouter und deren Einsatz in kritischen Infrastrukturen.