Datenfunk

5G: Der industrielle Funkstandard der Zukunft?

| Redakteur: Jürgen Schreier

Industrielle Drahtlos-Kommunikation ist weder neu noch ungewöhnlich. So hat die Funklösung WiMAX bereits etliche Jahre auf dem Buckel und Wi-Fi (WLAN) ist in der Industrie schon lange fest etabliert. Außerdem gibt es Wireless-Lösungen für Profibus oder CANopen. Doch 5G soll nun (fast) alles noch besser können. Der Artikel versteht sich als kleines Porträt des neuen Mobilfunkstandards.

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Um Produktionsanlagen und Intralogistik noch flexibler, autonomer und effizienter zu gestalten, braucht es entsprechende Rahmenbedingungen in der Kommunikation und umfassende Konnektivität. Der neue Kommunikationsstandard 5G eröffnet hier wichtige Perspektiven.
Um Produktionsanlagen und Intralogistik noch flexibler, autonomer und effizienter zu gestalten, braucht es entsprechende Rahmenbedingungen in der Kommunikation und umfassende Konnektivität. Der neue Kommunikationsstandard 5G eröffnet hier wichtige Perspektiven.
(Bild: Siemens)

Mobilfunkstandards – angefangen bei 1G – prägen seit 40 Jahren die mobile Kommunikation. Lag in der Vergangenheit der Fokus primär der besseren Nutzbarkeit im öffentlichen Bereich, so geht es beim neuen Standard der 5. Generation (kurz 5G) um etwas anderes: Anwendungen in der Industrie stehen im Vordergrund. Im Wesentlichen geht es um größere Bandbreiten, höhere Zuverlässigkeit, geringere Latenzen sowie um die Tatsache, dass immer mehr (I)IoT-Geräte angeschlossen werden müssen.

Textnachrichtenversand mit 2G, Fernwirken mit 3G

Doch auch die Mobilfunkgenerationen 2G bis 4G prägten maßgeblich den industriellen Fortschritt. Mit 2G konnten Fernwirkstationen bereits Textnachrichten versenden. Mit 3G wurde der Fernzugriff auf Maschinen und Anlagen möglich, um beispielsweise Fernwartungsaufgaben durchzuführen. 4G ermögliche schließlich den performanten mobilen Remote-Zugriff auf Anlagen, LTE das Etablieren lokal begrenzter privater Mobilfunknetze (sogenannter Campus-Netze) z.B. auf dem Firmengelände.

Mit 5G werden Bandbreiten und Netzzuverlässigkeit nach Einschätzung von Fachleuten enorm zunehmen. Zugleich gehen die Latenzzeiten (Verzögerungen gegen Null). sodass auch Echtzeitanwendungen drahtlos ausgeführt werden können. Zu Beginn soll 5G über eine Datengeschwindigkeit von ein bis fünf Gigabit, später sogar 20 Gigabit pro Sekunde verfügen – ein Quantensprung, denn 5G ist damit 10- bis 20-mal schneller als der momentan vorherrschende Standard LTE.

Das „3rd Generation Partnership Project (3GPP)“, das unter anderem für eine globale Standardisierung der Mobilfunknetze verantwortlich ist, hat eine Vision für 5G geschaffen, die aus drei Hauptszenarien besteht.

Das erste Hauptszenario – enhanced Mobile Broadband (eMBB) – umfasst Verbesserungen der Bandbreite gegenüber 4G. Hauptziel ist dabei die Realisierung datengetriebener Anwendungsfälle, die hohe Datenraten bei globaler, weiträumiger Netzabdeckung erfordern. Ein typisches Beispiel ist der wachsende Bedarf für HD-Streaming von Musik und Videos auf mobilen Geräten wie Smartphones in hoher Qualität. In der Industrie profitieren davon Augmented-Reality-Applikationen, um beispielsweise Ingenieure und Techniker im Außendienst zu unterstützen. Auch bei der Schulung von technischem Personal leistet Augmented Reality wertvolle Dienste.

Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) bietet als zweites Scenario eine hohe Zuverlässigkeit und geringe Latenz für anspruchsvolle industrielle Anwendungen. Zu den typischen Beispielen gehören unter anderem mobile Roboter, autonome Logistik, fahrerlose Transportsysteme (FTS) sowie Sicherheitsanwendungen.

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Beim dritten Szenario -Massive Machine-Type Communication (mMTC) - liegt der Schwerpunkt in der Anbindung einer großen Anzahl von mobilen Geräten auf kleinem Raum. In der Praxis handelt es sich beispielsweise um Anwendungen für das Industrielle Internet der Dinge (IIoT), wobei typischerweise eine hohe Gerätedichte pro Flächeneinheit installiert wird. Die Geräte senden oder empfangen dabei die Daten in größeren Zeitabständen, sodass nur eine geringe Bandbreite benötigt wird. Man spricht angesichts der geringen Bandbreite von Narrowband-IoT (NB-IoT)

Obendrein zeichnet sich die Technologie durch einen vergleichsweise geringen Stromverbrauch aus. Batteriebetriebene Geräte wie Rauchmelder oder Stromzähler funktionieren so zuverlässig bis zu zehn Jahre, bevor die Batterien ausgetauscht werden müssen. Vor allem aber dringt Narrowband-IoT bis tief in Gebäude vor, sodass selbst Gerätschaften im Kellergeschoss per Mobilfunk mit dem Internet of Things verknüpft werden können.

Ein weiteres Beispiel für mMTC könnte die Prozessindustrie sein, wo sehr viele Sensoren (z B. für Temperatur, Druck, Durchfluss) installiert sind, um die Überwachung der Prozesse in einer Anlage zu unterstützen.

Der wichtigste Vorteil von 5G besteht darin, dass Unternehmen ihre Anlagen komplett drahtlos vernetzen und damit Produktionsanlagen und Intralogistik effizienter, autonomer und flexibler denn je gestalten können.

Industrial 5G - Reaktionsgeschwindigkeiten im Millisekunden-Bereich

5G ist ein Standard, der dank seiner Bandbreite vieles kann: vom automatisierten Regalsystem über Fertigungsroboter bis hin zu Klimaanlage und Steuerpult. Ein allumfassendes Netz, über das sich eine Industrieanlage drahtlos lenken lässt – robust, extrem schnell oder mit komfortabler Bandbreite ausgestattet. „Die Chancen sind immens“, sagt Sander Rotmensen, Leiter Produktmanagement für drahtlose Industriekommunikation bei Siemens. „Stellen Sie sich ein Werksgelände vor, auf dem eine autonome Fahrzeugflotte, genau abgestimmt auf die Produktion, Waren, Ersatzteile oder Fertigprodukte zwischen Lieferrampen, Fabrikhallen und Lagerhäusern hin und her transportiert – das ermöglicht Industrial 5G.“

Dabei erlaubt Industrial 5G erstmals eine Reaktionsgeschwindigkeit im unteren Millisekunden-Bereich, etwa wenn Kameras auf einem Fließband einen Fremdkörper erkennen und ein Roboterarm augenblicklich zum Stillstand kommen muss.

Kein Wunder, dass der prognostizierte Markt gewaltig ist. Laut dem von der Vereinigung internationaler Mobilfunkanbieter GSMA herausgegebenen „Mobile Economy 2019 Report“ sollen bereits im Jahr 2025 rund 15 Prozent des weltweiten Mobilfunks über 5G laufen. Jährlich würden derzeit 160 Milliarden Dollar in den Aufbau von 5G-Netzwerken investiert. Auf diesem Wege, so die Prognose, werde 5G in den kommenden 15 Jahren 2,2 Billionen Dollar zur Weltwirtschaft beitragen – angetrieben nicht zuletzt von der fertigenden Industrie und öffentlichen Versorgungsunternehmen.

Drahtlose Kommunikation ist in der Industrie freilich kein Novum. So setzt Siemens heute mit RUGGEDCOM WIN eine private WiMAX Funk-Lösung, unter anderem zur raschen Erkennung von Lecks in Öl- und Gaspipelines, zur Überwachung und Steuerung von Stromnetzen auf Inseln oder bei mobilen Transportsystemen in Fabriken ein. Außerdem gibt es vereinzelt bereits private LTE-Netze, beispielsweise in Fabriken oder Häfen.

Viele Maschinen und Anlagen sind heute per WLAN vernetzt. Auch mit Industrial 5G wird parallel das industrielle WLAN weiterentwickelt, da weltweit nicht überall private Industriefrequenzen für 5G zur Verfügung stehen. Doch all das kann nicht annähernd den Leistungsumfang von 5G bieten. „Erst Industrial 5G ermöglicht uns, die Industrie komplett zu vernetzen“, ist Herbert Wegmann, Leiter von Industrial Communication and Identification bei Siemens, überzeugt.

Apropos Industrial 5G: Bei aller Euphorie sollte man nicht vergessen, dass keineswegs alle 5G-Funktionen von Anfang verfügbar sein werden. Vielmehr gibt es eine Release-Kulisse, in der beispielsweise im Jahr 2019 Release 15 mit Fokus auf eMBB verabschiedet wurde. Die Releases 16 und 17 werden die verbleibenden zwei Szenarien unterstützen (URLLC und mMTC) und dadurch (noch) mehr Relevanz für industrielle Anwendungen haben.

Ein 100-Megahertz-Band nur für die Industrie

Nicht zuletzt mit der Hilfe des internationalen Interessenverbands der Industrie „5G Alliance for Connected Industries and Automation“ (5G-ACIA), dem OT-Unternehmen (Operational Technology) und IT-Unternehmen angehören, ist es gelungen, in Deutschland ein 100-Megahertz-Band zwischen 3,7 und 3,8 Gigahertz zu reservieren, das ausschließlich durch die Industrie für lokale Netzwerke genutzt werden kann. „Dass die Industrie direkten Zugriff auf diese Frequenzen hat, ergibt Sinn“, sagt Rotmensen. „Schließlich kennen wir die Anforderungen für unsere Anlagen am besten – und können das Netz dann passend zu den Applikationen optimieren.“

Ist das Netz einmal installiert, steht smarten Fabriken nichts mehr im Wege. Das heißt, fast nichts. Wichtig ist, dass Industrial 5G sich international etabliert. Denn nur dann können die auf 5G basierenden Technologien weltweit in der Industrie eingesetzt werden und die Branche kann entsprechend florieren. Immerhin, in zwei der wichtigsten Weltmärkte, in den Vereinigten Staaten und China, wird intensiv am an der Einführung von 5G gearbeitet. „

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