Mobilfunkstandard 5G

Andrea Gillhuber,

5G für die Automatisierungstechnik

Die 5. Generation gilt als „Enabling Technology“ für Industrie 4.0, Industrial IoT und autonom fahrende Fahrzeuge. Wie aber wird die 5G-Mobilfunk-Technologie in der Industrie beziehungsweise in der Automatisierungstechnik Anwendung finden? Eine Analyse aus Sicht eines System-Herstellers. 

Wie wird die 5G-Mobilfunk-Technologie in der Industrie beziehungsweise in der Automatisierungstechnik Anwendung finden? © Shutterstock / TierneyMJ

Der nächste Standard der Mobilfunktechnik, 5G – die 5. Generation – ist in aller Munde. Mit Recht, denn, sofern sich in der oft rauen Praxis bestätigt, was derzeit aus Entwicklungsprojekten bekannt ist, öffnen sich mit 5G ungezählte Einsatzmöglichkeiten in privaten wie öffentlichen Bereichen der Gesellschaft und vor allem in der Industrie. 5G wäre dann als kabelfreie Echtzeitkommunikation eine der wichtigsten Voraussetzungen (Enabler) für Industrie-4.0- beziehungsweise industrielle IoT-Projekte, da hier die bisherigen Mobilfunktechnologien an ihre Grenzen stoßen. Um Chancen und mögliche Roadmaps dieser Zukunftsprojekte möglichst realistisch einschätzen zu können, ist eine kritische, jedoch positiv zu verstehende Analyse der heute bekannten technischen Inhalte von 5G hilfreich. Allerdings gibt es vorerst noch eine Einschränkung: Versteigert werden aktuell verschiedene Frequenzbereiche zwischen 3,5 und 3,7 GHz. Da in den niedrigen Frequenzbereichen weltweit alles belegt ist, kommen nur bisher ungenutzte Frequenzen bis zu 60 GHz in Frage; die genauen Frequenzen und die zur Verfügung stehenden Bandbreiten sind allerdings noch nicht endgültig festlegt, bestimmen aber maßgeblich die technischen Eigenschaften einer Funkstrecke in der Anwendung.

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Das „5Gang“-Projekt des BMFT als Einstieg

Als Technologieunternehmen im Bereich der industriellen Funktechnik widmet sich die Schildknecht AG seit über 30 Jahren der Aufgabe, die jeweils neuen Funktechnologien und Funkstandards wie aktuell Bluetooth 5. oder Funk-Mesh-Netzwerke und zukünftig die 5G-Mobilfunk-Technologie in Gateways zu integrieren und damit für industrielle Anwendungen nutzbar zu machen. Mit diesem Ziel vor Augen ist das Unternehmen auch aktiver Teilnehmer im BMFT geförderten Projekt „5Gang“ (5G angewandt in der Industrie), welches das Ziel verfolgt, auf Basis mobiler Netze der 5. Generation ein neues und besonders leitungsfähiges industrielles Kommunikationskonzept zu entwickeln.

Im „5Gang“-Projekt werden zwei Schwerpunkte adressiert: Fertigungskomponenten schnell und dynamisch an verschiedene Anforderungen anzupassen und Sensoren in engmaschig verknüpfte Sensornetzwerke einzubinden; beides zusammen schafft die Voraussetzungen für eine detaillierte Zustandsüberwachung von Produktionsanlagen bei sinkenden Reparaturkosten durch dadurch mögliche vorausschauende Wartung der Maschinen. Im Projekt werden unter anderem die Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit von Funksystemen auf Realisierbarkeit überprüft, um zukünftige Technologien auf Basis von 5G zuverlässiger und schneller zu machen. Hierfür werden auf den neuen Technologien basierende Geschäftsmodelle validiert, um daraus neue Produkte und Dienstleistungen für die Automatisierungstechnik abzuleiten.

Drei 5G-Dienste (Klassen) und „Network Slicing“

Die 5G-Technologie wird es in drei deutlich voneinander abgegrenzten Klassen geben, welche bewusst auf sehr unterschiedliche Anwendungsbereiche (Dienste) ausgerichtet sind; zusätzlich wird die wichtige Technologie des „Network Slicing“ eingeführt.

  • Der Dienst eMBB (enhanced Mobile Broadband)wird eine Weiterentwicklung von 4G in Bezug auf die Datenrate sein und damit bevorzugt für Anwendungen mit hohe Datenübertragungsraten wie Videostreaming oder Augmented Reality eingesetzt werden. Dies wird auch als Erstes im Consumerbereich verfügbar sein.
  • Der Dienst uRLLC (ultra Reliable Low Latenzy Communication) soll eine besonders kurze Latenzzeit im ms-Bereich bei gleichzeitig sehr hoher Verfügbarkeit ermöglichen; Einsatzbereiche dafür sind daher die Fertigungsautomatisierung (Robotik), selbstfahrende autonome Fahrzeuge in Fabriken (AGV), Überwachung vitaler medizinischer Daten. Dieser Dienst wird vorranging in anwendereigenen Netzen direkt verbunden mit eigenen 5G-Basisstationen auf dem Firmengelände und exklusiver Frequenz vorbehalten sein, auch als Campusnetze bezeichnet.
  • Der Dienst mMTC (massive Machine Type Communications) soll Anwendungen mit besonders vielen Sensoren an einer Basisstation ermöglichen (hohe Gerätedichte mit bis zu 1 Million Geräten pro Basisstation). Im Industriebereich stehen hierfür die Begriffe „Industrie 4.0“ und „Internet der Dinge“ (IoT) sowie allgemein die Automatisierungstechnik. Im Consumerbereich ist das die Überwachung beispielsweise von Heimsensoren für Strom, Temperatur, Rauchentwicklung und ähnlichem.
  • Network-„Slicing“. Die mit 5G verfügbare neue Technologie ermöglicht es, dass Netzbetreiber über eine einzige physikalische Netzinfrastruktur mehrere Netzwerke, zum Beispiel auf spezielle Kunden- oder Applikationen ausgerichtet, betreiben und verwalten können. Dies ist eine wichtige Eigenschaft für die Umsetzung von Industrie-4.0-Anforderungen beispielsweise in Hinblick auf Flexibilität.

Zusammengefasst bietet 5G gegenüber 4G eine deutlich erhöhte Datenübertragungsgeschwindigkeit bis zu 10 Gbit/s im Dienst eMBB, oder niedrigerer Latenzzeiten unter 1 ms rein auf der Funkstrecke im Dienst uRLLC, oder hohe Teilnehmerdichte im Dienst mMTC. Parallel werden diese Dienste auf einem Gerät nicht nutzbar sein.

Technische Hürden und zu lösende Herausforderungen

Datenfluss vom Sensor oder der Maschine in die Cloud. © Schildknecht

5G ist nicht eine einzelne technische Spezifikation oder Technologie, sondern ein „Blumenstrauß“ aus unterschiedlichsten Komponenten:

mm-Wellen: Ab circa 20 Ghz beginnt der mm-Bereich in der Wellenlängenskala.

Massive MIMO: Die Leistungsfähigkeit dieser Services basiert auf einer dafür notwendigen 3-dimensionalen Antennentechnologie.

Beamforming: Hierfür werden gerichtete Antennenkeulen verwendet, um die HF-Energie gezielt an bestimmte Punkte senden beziehungsweise entsprechend empfangen zu können.

Full Duplex: Auf unterschiedlichen Frequenzen wird gleichzeitig gesendet und empfangen.

Small cell Networks: Um die hohe Teilnehmerdichte zu ermöglichen, werden Kleinstzellen mit nur wenigen 100 m Ausdehnung verwendet, was eine Vielzahl von Antennenplätzen benötigt.

Für viele der für den Endausbau von 5G prognostizierten Leistungsdaten müssen die Technologien erst noch entwickelt werden. Zwar gibt es für 5G NR (New Radio), also der aktuellen 5G-Funktechnologie, schon eine Spezifikation (Release 15), aber zum Beispiel für Massive MIMO wurde erst kürzlich auf dem Wireless Kongress Ende 2018 von einem Fraunhofer-Institut noch Forschungsbedarf prognostiziert, um ein 16×16-Antennenarray in einem Smartphone auf Chip-ebene unterzubringen. Ohne Massive MIMO jedoch kann die hohe Datenrate nicht erreicht werden.

Für 5G werden die Anwender deshalb nur eine schrittweise Anpassung der Datenrate nach oben über die kommenden fünf bis sieben Jahre erleben und die ersten Implementierungen in 2020 werden noch kaum Vorteile gegenüber 4G zeigen. Das ist auch darin begründet, dass sich das Backbone (Infrastruktur) des Mobilfunknetzes erst den hohen Datenraten anpassen muss. Letztlich bestimmt die schwächste Komponente den Datendurchsatz: Bis alle Basisstationen mit 25-GBit/s-Glasfaser verbunden sind, wird es noch Jahre dauern.

Neue 5G-Geschäftsmodelle werden erforderlich

Beispiel der Kommunikation eines realisierten IIoT-Kundenprojekts im Bereich Remote Condition Monitoring auf Basis von LTE-Technologie. © Schildknecht

Noch sind viele technische Einzelheiten – wie vor allem die Frequenzen und die jeweiligen Netzbetreiber – nicht bekannt. Mit den großen Netzanbietern treten jedoch neue Player auf den Markt, welche zwischen Geräteherstellern und Geräteanwendern stehen werden und damit neue Geschäftsmodelle erforderlich machen. Es stellt sich die Frage, wer dann für die Einhaltung von QoS (Quality of Service) einer Anlage die Verantwortung übernimmt. Bisher versprechen Mobilfunkprovider bei Consumer-Anwendungen nur „best effort“ – so gut wie möglich; damit werden sich Industriebetriebe jedoch keinesfalls zufriedenstellen lassen. Außerdem werden die neuen Frequenzen kostenpflichtig sein und damit einhergehend einen entsprechenden Einfluss auf deren wirtschaftliche Nutzung haben: Die Milliardeninvestitionen für Lizenzerwerb und Netzaufbau müssen sich amortisieren.

Es wird auch mehr Frequenzen und mehr Netzbetreiber geben als bisher und die Zahl der eigenständigen Netze wird dadurch stark zunehmen. Das führt zu einer für Großunternehmen attraktiven Lösung der Installation eines eigenen Hochleistungsnetzwerkes mit eigener Frequenz direkt auf dem Firmengelände. Diese eigenständigen Firmennetze können dann durch „Slicing“ weiter aufgeteilt und zur Optimierung verschiedener, firmeninterner Prozesse genutzt werden. Ein Mehrwert aus dieser Lösung gegenüber der heutigen Situation entsteht sicherlich nur bei Großunternehmen; für kleine und mittlere Firmen werden die bisher erfolgreich eingesetzten Technologien 4G (LTE) und WLAN im 2.4-GHz- und 5-GHz-Bereich technisch weiterhin ausreichen und kostenmäßig attraktiver sein; ein Übergang auf 5G wird hier wohl nur zögerlich eintreten.

Die Vielfalt an unterschiedlichen Frequenzen stellt die Gerätehersteller und deren Zulieferanten (Komponentenhersteller) vor erhebliche Herausforderungen bezüglich der Variantenvielzahl. Bereits heute ist das ein nur schwer beherrschbares Thema: Waren es bei 2G nur vier und bei 3G nur sechs Frequenzbänder, so sind es bei 4G bereits 12 Bänder, welche jeweils unterschiedliche Gerätevarianten erfordern. Diese Situation wird sich bei 5G nochmals verschärfen, zumal die 5G-Frequenzbänder international nicht einheitlich sind, was die Gerätekosten ansteigen lassen wird. Auch die aus Consumer-Anwendungen bekannten Chipzyklen von circa zwei Jahren sind in industriellen Anwendungen nicht akzeptabel. Schon heute ist deutlich zu sehen, dass langzeitverfügbare 4G-Welt-Radios um Faktoren teurer sind als für Consumer-Anwendungen entwickelte Lösungen.

Schließlich müssen alle mit einer Funkschnittstelle ausgerüsteten Geräte in jedem Land beziehungsweise Wirtschaftsbereich (EU) zertifiziert werden; und bei Mobilfunk verlangen manche Provider noch eine zusätzliche Zertifizierung, zum Beispiel USA. Bei einer weltweiten Zulassung entstehen dadurch leicht Zertifizierungskosten von 500.000 Euro je Gerät plus eigene Aufwendungen für Niederlassungen im jeweiligen Land, gefordert zum Beispiel in Russland oder China. Je nach Land können bei jeder Hardware-Änderung erneut Zertifizierungskosten entstehen.

Private Netzwerke und Basisstationen

Große Industriebetriebe wie in der Automobilindustrie stehen in den Startlöchern für die Nutzung lokaler 5G-Frequenzen, die den Aufbau eigener Basisstationen ermöglichen und somit eine exklusiv nutzbare Frequenz und Bandbreite erlauben wird. Dies ist ein langgehegter Wunsch der Automatisierungstechnik, die in den entsprechenden Gremien wie dem VDI/GMA Fachausschuss 5.21 seit 20 Jahren angestrebt wird. Mit exklusiver Frequenz als Primärnutzer werden auch höhere Sendeleistungen im Vergleich zu WLAN möglich. Die in der EN 300328 für das 2,4-GHz-Band vorgeschriebenen Koexistenz-Eigenschaften wie Listen-before-talk sind dann obsolet. Eine höhere Sendeleistung sollte von der Theorie her stabilere Übertragungen ermöglichen. Inwieweit die hohen Frequenzen zwischen 20 und 60 GHz das im Fabrikumfeld praktisch ermöglichen werden, müssen die ersten Anwendungen nachweisen.

Ausblick bis 2023

Es wird noch einige Zeit vergehen, bis die 5G-Technologie und deren Anbieter am Markt echt präsent sein werden. Gleichzeitig wird es vorerst nur wenige Automatisierungstechnik-Projekte geben, für deren Anforderungen die bestehende 4G-Technologie nicht ausreicht und deren Betreiber gewillt sind, den Sprung in die 5G-Technologie zu machen. Die ersten Umsetzungen werden wohl in Form von Pilotprojekten auf dem Gelände von Großunternehmen erfolgen – erste Unternehmen haben hierfür ihr Interesse bereits angemeldet – aber für eine Realisierung ist dann auch eine entsprechende Bereitschaft auf Seiten der Gerätehersteller erforderlich. Die ersten industriellen 5G-Umsetzungen in der Fabrik- und Prozessautomatisierung mit zum Beispiel Kommunikation zwischen verschiedenen Anlagen, Maschinen und Sensoren oder bei fahrerlosen Transportsystemen et cetera werden unserer Einschätzung nach erst ab 2023 sichtbar werden.

Thomas Schildknecht, Wireless-Experte und CEO von Schildknecht / ag

Kongress „5G in Industrie und Logistik“

Kongress "5G in Industrie und Logistik" von WEKA BUSINESSMEDIEN im Oktober 2019. © WBM

5G wird zum entscheidenden Wettbewerbsfaktor auf dem Weg zu einer vernetzten Produktion – von der Produktentwicklung über die Fertigung bis hin zu Intralogistik und Warenversand. In Zukunft werden Anwendungen wie fahrerlose Transportsysteme, mobile Werkzeuge, Mensch-Maschine-Kollaboration oder Roboter über die hochleistungsfähige Funktechnologien funktionieren.
Der Kongress „5G für Industrie und Logistik“ vermittelt Basiswissen rund um die 5G-Datenkommunikation und zeigt die Bedeutung und Möglichkeiten von 5G für Produktion, Intralogistik und Transportwesen auf.
Weitere Informationen: www.5G-Kongress.de

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