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5G-Netz für industrieelle IoT-Anwendungen

5G-Netze als neuer Standard in der Industrie
5G-Netze pushen industrielle Anwendungen

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Künftige Maschinen und Anlagen werden mit hochzuverlässiger und echtzeitfähiger Kommunikation arbeiten und eine umfassende Konnektivität, vor allem im Bereich der IIoT-Sensorik, unterstützen. Als nächstes Level im Mobilfunkstandard bietet 5G zusätzliche Wertschöpfungsmöglichkeiten. Um den notwendigen technischen Anforderungen und Voraussetzungen nachzukommen, wurde eine Reihe von Merkmalen definiert, die auf dem Weg zu 5G zu erfüllen sind – ein Überblick.

Inhaltsverzeichnis

1. Erstes Hauptszenario: enhanced Mobile Broadband (eMBB)
2. Industrie wartet auf Release 16
3. Unterscheidung zwischen öffentlichem und privatem Netz
4. 5G-Trends im Blick: von industrieller Fertigungbis zu mobilen Maschinen

 

Bis 2025 sollen laut dem Report „Mobile Economy 2019“ der GSM Association rund 15 % des weltweiten Mobilfunks über den Standard 5G laufen. Den Weg für richtungsweisende Anwendungen im industriellen Internet der Dinge (IIoT) sollen dabei eine beispiellose Zuverlässigkeit, Echtzeitfähigkeit sowie eine umfassende Konnektivität ebnen.

Immens seien die Chancen für die Industrie, meint Sander Rotmensen, Leiter des Produktmanagements für drahtlose Industriekommunikation bei Siemens: „Es handelt sich um ein Funknetz, das dank seiner Bandbreite vieles vereinen kann: vom automatisierten Regalsystem über Fertigungsroboter bis hin zu Klimaanlage und Steuerpult – ein allumfassendes Netz, über das sich eine Industrieanlage drahtlos lenken lässt.“ Und Eckard Eberle, CEO der Siemens-Business-Unit Process Automation sagt: „Industrial 5G öffnet die Tür zur umfassenden drahtlosen Vernetzung von Produktion, Instandhaltung und Logistik. Hohe Datenraten, ultrazuverlässige Übertragung und ultrakurze Latenzzeiten werden eine erhebliche Effizienzsteigerung und Flexibilisierung in der industriellen Wertschöpfung ermöglichen“. Die Erwartungen in Bezug aufs industrielle Potenzial und zusätzlicher Wertschöpfung der fünften Mobilfunkgeneration sind also enorm und herausfordernd zugleich.

Um die globale Standardisierung von Mobilfunknetzen, einschließlich der fünften Generation, voranzutreiben, ist aktuell eine weltweite Kooperation von Standardisierungsgremien mit 5G befasst. Im sogenannten 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ist auch die Vision für 5G geschaffen worden, die aus drei Hauptszenarien beziehungsweise Anwendungsprofilen besteht, die für Mobilfunknetze der neuen Generation vorgesehen sind:

Erstes Hauptszenario: enhanced Mobile Broadband (eMBB)

Das erste Hauptszenario – enhanced Mobile Broadband (eMBB) – umfasst Verbesserungen gegenüber 4G. Hauptziel ist es, datengetriebene Anwendungsfälle, die hohe Datenraten bei globaler, weiträumiger Netzabdeckung erfordern, umzusetzen. In der Industrie sind so Augmented-Reality-Applikationen denkbar, um Ingenieure im Außendienst zu unterstützen. Die Rechenleistung kommt dabei direkt aus der Cloud.

Mindestens genauso wichtig ist es für die Industrie, dass mit 5G die Verfügbarkeit des mobilen Netzes (ultra-reliable) und dessen Latenzzeit (low-latency) wesentlich verbessert werden. Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) sorgt als zweites Anforderungsprofil für eine hohe Verlässlichkeit des Systems und verspricht Reaktionszeiten im unteren Millisekunden-Bereich. Relevant ist das etwa für die Bewegungssteuerung von Maschinen oder die Positionsbestimmung bei Robotern. Zu den typischen Beispielen zählen auch autonome Logistik, fahrerlose Transportsysteme (FTS) oder Sicherheitsanwendungen.

Als drittes Anforderungsprofil und Szenario legt massive Machine-Type Communication (mMTC) seinen Fokus auf das Anschließen und Vernetzen einer großen Anzahl von Geräten auf kleinem Raum. Ermöglicht werden soll die Anbindung von bis zu einer Million Geräte pro Quadratkilometer – deutlich mehr als bisher. Als ein weiterer Vorteil von 5G wird gesehen, dass die Funkkommunikation trotz besserer Leistungen weniger Energie benötigt wird und so mitunter Kosten senken kann.

Industrie wartet auf Release 16

In der Praxis kommen zum Beispiel 5G-Anwendungen für das IIoT infrage, bei denen typischerweise eine hohe Gerätedichte pro Flächeneinheit installiert werden muss. Die Geräte senden oder empfangen hierbei kontinuierlich Daten in größeren Zeitabständen, sodass nur eine möglichst geringe Bandbreite beansprucht wird. Ein Anwendungsfeld könnte die Prozessindustrie sein, wo beispielsweise viele Sensoren für Temperatur, Druck oder Durchfluss installiert sind, um die Prozessüberwachung einer Anlage zu unterstützen.

Um die genannten Anforderungen aus den drei Hauptszenarien zu erfüllen, wurde eine Reihe von Merkmalen definiert, die auf dem Weg zu 5G zu erfüllen sind. Neben Spitzendatenraten von 20 Gbit/s Downlink und einer maximalen Latenz von 1 mS zählen dazu Vorgaben bezüglich Mobilität, Dichte, Energieeffizienz, Spektrumseffizenz und Flächenverkehrskapazität.

Damit die Zusagen wie auch die vorgegebene Zeitachse für den neuen Standard eingehalten werden können, wird 5G in mehrere Releases unterteilt: 2019 wurde Release 15 mit Fokus aufs eMBB-Szenario verabschiedet. Die Releases 16 und 17 werden nun die verbleibenden zwei Szenarien unterstützen und deutlich mehr Relevanz für viele industrielle Anwendungen haben.

Unterscheidung zwischen öffentlichem und privatem Netz

Eine der wichtigsten Variablen beim Aufbau eines 5G-Netzes ist die Unterscheidung zwischen öffentlichem und privatem Netz. Der Betrieb öffentlicher Netze wird mit dem erstmaligen Release von 5G abgedeckt, während private Netze mit URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication) ein Teil des bevorstehenden Releases 16 sein werden, dessen Start für Mitte dieses Jahres geplant ist.

Das Mobilfunknetz, wie wir es heute kennen, ist öffentlich. Es wird von einem Mobilfunknetzbetreiber betrieben und alle Daten, die kommuniziert werden, fließen durch das Netz des Betreibers. Das stellt für den Nutzer ein Datenschutzrisiko dar, denn die Daten verlassen seinen Hoheitsbereich. Ein privates Netz wiederum ist vergleichbar mit einem WLAN-Netzwerk. Die Daten bleiben im Netzwerk und verlassen den privaten Bereich nicht. Somit sind die Daten besser geschützt.

Bei der Bereitstellung von 5G gibt es einen höheren Bedarf an Spektrum als bei den vorherigen Mobilfunkgenerationen. Das Spektrum ist Eigentum von Staaten. Nur ein Teil davon ist lizenzfrei und wird für sogenannte ISM-Bänder, also für industrielle Wissenschaft und Medizin genutzt. Für Mobilfunknetze aber werden die Frequenzen von Staaten an Mobilfunknetzbetreiber versteigert, da sie landesweite öffentliche Netze aufbauen. Solche öffentlichen Netze sind typischerweise auf den Anwendungsfall eMBB (enhanced Mobile Broadband) fokussiert, um Verbrauchern die größtmögliche Datenrate und Bandbreite zu liefern. Mitte Juni 2019 haben die vier Anbieter Telekom Deutschland, Telefonica Germany, Vodafone und Drillisch Netz insgesamt 420 MHz an Frequenzen für insgesamt 6,5 Mrd. Euro bei der Bundesnetzagentur (BNetzA) ersteigert.

Mit industriellem 5G kann das Netz für den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Für verschiedene Industriezweige könnten URLLC und mMTC zum Beispiel vorteilhafter sein als eMBB. Bei einer privaten Bereitstellung kann der Endnutzer bestimmen, welche Parameter festgelegt werden. Und er kann das Netz in einer für die spezifische Anwendung optimalen Weise betreiben. Für solche privaten Netze muss der Industrie wiederum ausreichend Spektrum zur Verfügung stehen. In Deutschland hat die Bundesnetzagentur beschlossen, 100 MHz von 3,7 GHz bis 3,8 GHz für die lokale Nutzung in Industrieumgebungen zu reservieren.

Das gibt Unternehmen in Deutschland geeignete Möglichkeiten, Spektrum für einen jährlichen Beitrag zu mieten und innerhalb ihrer eigenen Betriebsstätten exklusiv zu nutzen sowie für einen optimalen Datenschutz zu sorgen. sc


PLUS

5G-Trends im Blick: von industrieller Fertigungbis zu mobilen Maschinen

Forum 5G – Industrie-Summit

Was kommt mit 5G auf produzierende Unternehmen zu? Ergeben eigene Campus-Netze Sinn und wer sollte sie betreiben? Welche künftigen Geschäftsmodelle entstehen durch 5G? Diese und weitere Fragen beantworten hochkarätige Referenten auf dem „Forum 5G – Industrie-Summit“. Zu den Vortragenden gehören unter anderem Prof. Thomas Bergs vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT sowie Dirk Kretzschmar von TÜV Informationstechnik.

  • Termin: 19. bis 20. Februar 2020
  • Preis: 499 €
  • Ort: Technology Academy, Messegelände Hannover
  • Details unter hier.pro/QS8w9 oder einfach QR-Code scannen

Mobile Maschinen

Mobile Maschinen gewinnen an Bedeutung – Smart Construction, Smart Farming oder auch Smart City heißen wichtige Anwendungsfelder der Zukunft. Unter Aspekten zunehmender Vernetzung der Maschinen wird es interessant, die 5G-Mobilfunktechnologie näher zu betrachten.

  • Zur Themenseite Mobile Maschinen gelangen Sie unter kem.industrie.de/mobile-maschinen oder via QR-Code
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