5G treibt industrielle Vernetzung voran

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. Ein erster wichtiger Trend auf dem Weg dorthin sind sogenannte Campus-Netzwerke als lokale Netze, die den Einsatz von 5G in der Industrie realistisch machen.

Nico Schröder, Korrespondent KEM Konstruktion, Augsburg

Inhaltsverzeichnis

1. Anwendungsprofile und Standards
2. Auf dem Weg zu industriellen 5G-Netzen
3. 5G-Trends im Blick:von der Fertigungbis zu mobilen Maschinen
4. 5G hat drei Hauptszenarien

Ein aktueller 5G-Trend sind lokal-private 5G-Netze, sogenannte Campus-Netzwerke. Ein erstes eigenständiges und privates 5G-Netz im 3,7–3,8-GHz-Frequenzband haben kürzlich Siemens und Qualcomm Technologies implementiert. Dazu hat Siemens die realen industriellen Testbedingungen und Endgeräte wie Simatic-Steuerungen und IO-Devices zur Verfügung gestellt. Qualcomm hat das 5G-Testnetz sowie die dazugehörigen Testgeräte beigesteuert. Installiert wurde das 5G-Netz im Automotive-Showroom und Testcenter von Siemens in Nürnberg, wo fahrerlose Transportsysteme (FTS) gezeigt werden, die vor allem in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Es sollen neue Fertigungsmöglichkeiten und -methoden mitentwickelt, getestet und präsentiert werden, bevor sie beim Kunden zum Einsatz kommen. So sollen Kunden wie AGV-Hersteller die Möglichkeit bekommen, das Zusammenspiel der Produkte live zu erleben. „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“, sagt Eckard Eberle, CEO der Siemens-Business-Unit Process Automation. Enrico Salvatori, Senior Vice President & President bei Qualcomm Europe, sagt: „Dieses Projekt erschließt uns wichtige Erkenntnisse aus der realen Welt, die beide Unternehmen in zukünftigen Anwendungen einsetzen können, und ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg der 5G-Technik in die Industrieautomatisierung.“

Das größte industrielle 5G-Forschungsnetz Europas wollen das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) und der schwedische Mobilfunknetzausrüster Ericsson mit dem sogenannten 5G-Industry-Campus Europe auflegen. Ziel sei es, mit Unternehmen und Forschungspartnern Einsatzgebiete der neuen Mobilfunktechnologie 5G innerhalb der Produktion zu erproben. Dabei arbeitet das Fraunhofer IPT seit Dezember, und für insgesamt drei Jahre, mit dem Werkzeugmaschinenlabor (WZL) und dem Forschungsinstitut für Rationalisierung (FIR) der RWTH Aachen zusammen.

Auf einem 5G-Campus wollen die Projektpartner in sieben Teilprojekten unterschiedliche Anwendungsszenarien untersuchen – von 5G-Sensorik für die Überwachung und Steuerung hochkomplexer Fertigungsprozesse über mobile Robotik und Logistik bis hin zu standortübergreifenden Produktionsketten. Außerdem möchten die Aachener Wissenschaftler den Einsatz moderner Edge-Cloud-Systeme zur schnellen Verarbeitung von Daten testen, um die Potenziale von 5G in der vernetzten und adaptiven Produktion auszuschöpfen.

Anwendungsprofile und Standards

Für die globale Standardisierung von Mobilfunknetzen, einschließlich der fünften Generation, ist eine weltweit agierende Kooperation von Gremien verantwortlich. 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: enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) und massive Machine-Type Communication (mMTC) – siehe Grafik und Übersicht auf dieser Seite. Um die entsprechenden 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 Millisekunde zählen dazu Vorgaben bezüglich Mobilität, Dichte, Energieeffizienz, Spektrumseffizenz und Flächenverkehrskapazität.

Auf dem Weg zu industriellen 5G-Netzen

Damit sowohl die Zusagen als 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 die verbleibenden zwei Szenarien unterstützen und deutlich mehr Relevanz für industrielle Anwendungen haben.

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 den Hoheitsbereich des Nutzers. 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 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.

Mehr zu den 5G-Kommunikationslösungen der Siemens AG:

hier.pro/g3abI

PLUS

5G-Trends im Blick:von der 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, 5G-Mobilfunktechnologie näher zu betrachten.

Zur Themenseite „Mobile Maschine“ gelangen Sie unter kem.industrie.de/mobile-maschinen oder via QR-Code

PLUS

5G hat drei Hauptszenarien

Das erste Hauptszenario – enhanced Mobile Broadband (eMBB) – umfasst Verbesserungen gegenüber 4G. Das 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, mit 5G die Verfügbarkeit des mobilen Netzes (ultra-reliable) und dessen Latenzzeit (low-latency) wesentlich zu verbessern. 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 können auch autonome Logistik, fahrerlose Transportsysteme (FTS) oder Sicherheitsanwendungen gezählt werden.
Als drittes Anforderungsprofil legt Massive Machine-Type Communication (mMTC) seinen Fokus aufs 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, was ökologisch ist und Kosten spart.