Der neue Mobilfunkstandard 5G soll viele Bereiche der Industrie revolutionieren, die Erwartungen sind entsprechend hoch. Es gibt aber auch viele Unsicherheiten – unter anderem bei den Themen Rahmenbedingungen und Sicherheit – wenn es um 5G geht. Der Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE) hat vier Experten aus Industrie und Forschung befragt und sie um ihre Zukunftsprognosen gebeten.
Der VDE hat für sein Whitepaper Bruno Jacobfeuerborn (Vorsitzender der Geschäftsführung, Deutsche Funkturm), Sigurd Schuster (Leiter Business Operations, Nokia Mobile Networks), Dr. Andreas Müller (Leiter Communication und Network Technology, Robert Bosch) und Prof. Dr. Hans Dieter Schotten (Wissenschaftlicher Direktor des Forschungsbereiches „Intelligente Netze“, DFKI) befragt und anschließend die Ergebnisse in verschiedenen Unterpunkten zusammengefasst:
Vorteile von 5G
Grundsätzlich sehen die Experten deutliche Vorteile durch den neuen Mobilfunkstandard 5G in verschiedenen Bereichen. Dazu zählt vor allem die Möglichkeit der massiven Vernetzung – von ressourcenbeschränkten Geräten, aber auch von Sensoren, die in verschiedensten Anwendungen implementiert sind. Dank 5G ließe sich alles miteinander vernetzten, gleichzeitig sorgt der neue Standard für große Bandbreiten und eine hohe Zuverlässigkeit der Übertragung. Die Geschwindigkeit bei der Datenübertragung wird im Bereich von 10 Gbit/s (1,25 Gigabyte/s) liegen. Hinzu kommt eine große Flexibilität des 5G-Systems, die sich etwa in Konzepten wie Network-Slicing zeigt. Damit lassen sich auf einer physikalischen Hardware unterschiedliche Netze aufbauen, die verschiedene Parameter aufweisen.
Im Vordergrund stehen außerdem die verbesserten Reaktionszeiten dank 5G. Die anvisierte Latenz liegt bei einigen wenigen Millisekunden bis zu einer Millisekunde. Die Experten heben jedoch hervor, dass die Latenz von der jeweiligen Anwendung abhängt. Nicht für jede Anwendung ist eine Reaktionszeit von einer Millisekunde notwendig. Ein weiterer Vorteil ist die Konvergenz. Mit 5G lassen sich verschiedene Anwendungen mit einer einzigen Technologie adressieren, für man bisher verschiedene Infrastrukturen braucht. So lassen sich zum Beispiel im Industriebereich sowohl W-LAN als auch Bluetooth mit einem Netz nutzen.
„Es ist relativ schwierig, bei der Latenz tatsächlich über irgendwelche Werte zu sprechen, die man unbedingt braucht. Denn mit steigender Auslastung erhöht sich natürlich die Latenz“, sagt Prof. Hans Dieter Schotten vom DFKI. Wichtig sei es, eine maximale Latenz garantieren zu können, sodass eine Mindest-Service-Qualität vorhanden sei. „Das menschliche Auge reagiert mit einer Verzögerungszeit von vier Millisekunden, beim Magen liegt diese Zeit sogar bei einer Millisekunde. In diese Regionen müssen wir kommen, um bei Anwendungen, in denen der Mensch involviert ist, sauber reagieren zu können. Und diese eine Millisekunde ist auch machbar“, ist sich Bruno Jacobfeuerborn vom Deutschen Funkturm sicher. Sigrid Schuster von Nokia meint: „Man redet bei der Latenz immer von zehn Millisekunden oder einer Millisekunde. Doch das ist nur der Anteil der Kommunikation über Funk. Das technische System insgesamt – zum Beispiel eine Robotersteuerung – hat ja auch weitere technische Komponenten, die gewisse Verarbeitungszeiten benötigen. Daher muss man immer die Gesamtkette betrachten und nicht nur das Stückchen Funk“.
Anwendungsfelder von 5G
Industrie
Das industrielle Umfeld wird von den Experten einhellig als das vielversprechendste Anwendungsgebiet gesehen. Die Automatisierung stellt allgemein hohe Anforderungen an Kommunikationstechnologien in Bezug auf Zuverlässigkeit, Reaktionsgeschwindigkeit, Geschwindigkeit und Datenrate. Da 5G in all diesen Bereichen Verbesserung bringt, erwarten die befragten Experten große Dynamik durch den Kommunikationsstandard.
Profitieren würden vor allem mobile Anwendungen. Ein Beispiel sind fahrerlose Transportsysteme. Diese kommunizieren derzeit über WLAN. Das Problem: Diese Technologie unterstützt kein sogenanntes Handover. Wenn ein Transportsystem sich durch die Fabrik bewegt und dabei den WLAN-Access-Point wechselt, wird die Kommunikation für eine bestimmte Zeit unterbrochen. Mithilfe von 5G könnten die fahrerlosen Transportsysteme unterbrechungsfrei kommunizieren. Eine neue Verbindung wird dabei zuerst aufgebaut, bevor die bestehende beendet wird.
Durch 5G werden außerdem neue Kommunikationsprotokolle entstehen, die einen energieeffizienteren Betrieb von Sensoren unterstützen. So können deutlich energiesparsamere Sensoren in den Maschinen und Anlagen genutzt werden. Das macht auch Retro-Fitting wirtschaftlicher – also ein Konzept, bei dem ältere Maschinen nachträglich mit Sensoren ausgerüstet werden.
5G wird aber nicht nur bestehende Anwendungen im Industrieumfeld verbessern, sondern neue überhaupt erst möglich machen. Dazu zählt nach Meinung der Experten das Einsatzgebiet Augmented Reality. Den Werkern in der Fabrik können dabei über Datenbrillen Zusatzinformationen kontextabhängig eingeblendet werden. Beispiel ist ein Servicetechniker, der Reparaturaufgaben an einer Maschine vornimmt. Solche Anwendungen sind extrem latenzkritisch und benötigen eine hohe Datenrate, da Bilder oder Videos von einem Server auf die Datenbrille übertragen werden. Dabei muss der Server erkennen, worauf die Brille ausgerichtet ist, und dann die Zusatzinformationen zurückspielen. Damit der Werker die Augmented-Reality-Anwendung ermüdungsfrei ausführen kann, muss die Latenz im Bereich von wenigen Millisekunden liegen.
Grundsätzlich gehen die Experten davon aus, dass mit 5G die Vision Industrie 4.0 deutlich näher rücken wird. In dieser Vision sind alle Komponenten einer Fabrik, wie Maschinen, Anlagen und Bauteile, mobil und flexibel miteinander verknüpft. Grundlage dafür ist eine leistungsfähige Vernetzung, die aus heutiger Sicht nur 5G gewährleistet.
Automotive
Auch im automobilen Bereich sehen die Experten Anwendungsmöglichkeiten. Dort erwartet man sich durch den Einsatz des Kommunikationsstandards allerdings keine vergleichbar dynamische Entwicklung wie im Industrieumfeld. Anwendungen wie etwa das autonome Fahren sind weniger von der Mobilfunktechnologie abhängig, da die Fahrzeuge auch ohne Kommunikation nach außen in der Lage sein müssen, sich sicher fortzubewegen. „Man wird es nicht schaffen, auf jeder Straße die beste 5G-Verbindung bereitzustellen. Die grundlegenden Funktionen des autonomen Fahrens müssen auch gewährleistet sein, wenn keine Mobilfunkverbindung besteht“, sagt Dr. Andreas Müller von Bosch.
Bei der Kommunikation mit einer übergeordneten Infrastruktur, wie etwa einer Verkehrsleittechnik, wird 5G allerdings eine wichtige Rolle spielen. So lassen sich mit der Datengeschwindigkeit und der Latenz, die 5G ermöglicht, Fahrzeuge mit relevanten Informationen versorgen, um etwa vor Verkehrsstaus oder Gefahren auf der Strecke zu warnen. Grundsätzlich erhöht 5G hier die Zuverlässigkeit in der Kommunikation.
Dabei wird auch das Network-Slicing eine wichtige Rolle spielen. Damit lässt sich verhindern, dass Verzögerungen in der Kommunikation – etwa bei einem Stau – entstehen. Eine Anwendung, die besonders von 5G profitieren würde, ist das Platooning. Dabei fahren mehrere miteinander vernetzte Lkw mithilfe eines Steuerungssystems in kurzem Abstand in einer Kolonne. So lässt sich etwa der Kraftstoffverbrauch verringern oder die Fahrer können entlastet werden. Nach Einschätzung von Schotten ist Slicing das wahrscheinlich wichtigste Instrument, das die Akzeptanz von 5G in der vertikalen Industrie sicher stellt.
Weitere Anwendungen von 5G
Nach Meinung der Experten gibt es auch in der Landwirtschaft viele mögliche Anwendungen. Hier könnte 5G die Erfassung von Umweltdaten, das sogenannte Precision Farming – also die zentimetergenaue Ausbringung von Saatgut und Dünger – oder den autonomen Betrieb von Erntefahrzeugen unterstützen. Solche Anwendungen werden zwar bereits mit LTE umgesetzt. Doch diese Mobilfunkgeneration werde durch zunehmenden Einsatz von Sensoren in der Landwirtschaft an ihre Grenzen kommen, so die Einschätzung der befragten Experten. Auch in Firmengebäuden und Privathäusern wächst die Zahl der Sensoren – zum Beispiel für Sicherheitsanwendungen oder für Energieeffizienz-Aufgaben.
Daneben könnte 5G auch in der Service-Robotik die Entwicklung entscheidend vorantreiben. Roboter würden menschenähnlicher, da sie dank 5G innerhalb von Millisekunden auf ihr Gegenüber reagieren. Das würde zum Beispiel die Akzeptanz der künstlichen Helfer in der Pflege oder im Haushalt deutlich steigern.
Wo ist 4G ausreichend?
Die Experten sind sich einig, dass sich auch mit 4G und dem zugehörigen Narrowband-IoT schon viele Anwendungen umsetzen lassen. Geringe Latenzzeiten mit bis zu zehn Millisekunden sowie hohe Datenkapazitäten seien auch mit LTE machbar. Narrowband-IoT wird bereits in vielen IoT-Anwendungen verwendet. Große Sensorpopulationen können auch damit unterstützt werden. Wenn jedoch viele Anwender gleichzeitig die Systemressourcen nutzen, gerät 4G an seine Grenzen. Dann sind die geforderten Latenzen nicht mehr machbar.
Zudem kann LTE zwar auch für Anwendungen, wie etwa Augmented Reality, aufgerüstet werden. Doch der Aufwand macht den Einsatz der Funktechnologie in vielen Fällen nicht wirtschaftlich. Und Anwendungen, die sich im Bereich des taktilen Internet bewegen und bei denen eine Latenz von einer Millisekunde gefordert ist, sind nur mit 5G möglich.
Perspektive in Deutschland
Stellenwert von 5G für die Entwicklung in Deutschland
Für die Industrienation Deutschland wird der Einsatz von 5G als sehr wichtig erachtet. Die Experten sind sich einig, dass deutsche Unternehmen so früh wie möglich Technologien auf 5G-Basis einsetzen müssen, um auf globaler Ebene wettbewerbsfähig zu sein. „Wenn wir in Deutschland nicht die Möglichkeiten von 5G in der Anwendung verstehen und nutzen, dann werden unsere Produkte und Lösungen einfach weniger wettbewerbsfähig sein. Ohne 5G – das können wir uns in Deutschland nicht leisten“, sagt Schuster. Müller formuliert es etwas positiver: „Es wird die Wettbewerbsfähigkeit der Produktion in Deutschland erhöhen, wenn wir hierzulande gute Rahmenbedingungen für die Nutzung von 5G schaffen“.
Anteil der deutschen Industrie an 5G-Produkten
Für die deutsche Industrie sehen die Experten das größte Potenzial bei der Integration von 5G in bestimmte Anwendungen und bei der Entwicklung von 5G-Produkten. Ein Beispiel ist die Automatisierungstechnik auf Basis von 5G. Hier sind deutsche Anbieter prädestiniert durch die traditionell starke Stellung in diesem Bereich. Das gleiche gilt für die Automobilindustrie. Die Integration von 5G in die Fahrzeugtechnik würde den Unternehmen aus dem Automotive-Sektor die Möglichkeit geben, ihre führende Position weiter zu behaupten. Entscheidend ist allerdings, dass deutsche Anbieter in diesen Bereichen von Beginn an schnell agieren.
Schwierig ist die Situation dagegen auf der Hardwareseite. Hier ist der Markt mit den großen drei Hardwareausrüstern Huawei, Nokia und Ericsson bereits weit enteilt. Sich in diesem Sektor gegen die Marktmacht dieser Anbieter zu behaupten, wird als eher unwahrscheinlich gesehen. Als positiver Aspekt wird dabei genannt, dass Huawei, Nokia und Ericsson immerhin mit Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten auch in Deutschland aktiv sind.
Rahmenbedingungen
Flächenabdeckung
Ein flächendeckendes Angebot von 5G-Technologien spielt für die Experten eine eher untergeordnete Rolle. Mit den vorhandenen 4G-Technologien könnten Anwendungen, wie vernetztes Fahren oder Smart Farming, bereits sehr gut unterstützt werden. Da autonome Fahrzeuge auch ohne Kommunikationstechnik in der Lage sein müssen, sich sicher durch den Straßenverkehr zu bewegen, ist auch in diesem Bereich ein flächendeckendes 5G-Angebot eher zweitrangig.
Für Anwendungen im industriellen Bereich ist die lokale Abdeckung mit 5G entscheidend. Die entsprechenden Industrieanlagen müssen mit 5G ausgestattet sein. Flächenabdeckung sei auch hier nicht oberstes Gebot. Hinzu kommt, dass sich mit den Frequenzen 3,4 GHz bis 3,7 GHz – also den Frequenzen, die Gegenstand der aktuellen Auktion sind – eine Flächendeckung nicht wirtschaftlich umsetzen lässt. Für eine deutschlandweite Abdeckung müssten bei diesen Frequenzen sehr viele Basisstationen aufgebaut werden, was zu hohen Kosten führen würde.
Mit Frequenzbändern von 700 MHz und 900 MHz wäre dies zwar möglich. Doch diese Mikro-Frequenzbänder unterstützen nicht die Parameter, die für 5G notwendig sind.
Campus-Lösungen
Sogenannte Campus-Lösungen bieten Industrieunternehmen die Möglichkeit, in einem nach außen hin abgeschotteten 5G-Netz zu arbeiten. So können Firmen auf ihrem Gelände von 5G-Technologien profitieren, ohne das Risiko einzugehen, dass sensible Daten nach außen gelangen können. Die Experten gehen davon aus, dass sich künftig verschiedene Betreibermodelle für diese Campus-Lösungen etablieren werden. Mittelgroße bis große Unternehmen, die über die entsprechenden finanziellen und personellen Ressourcen verfügen, werden sich ein eigenes Campus-Netz aufbauen.
Andere – vorwiegend kleinere – Firmen werden dafür einen Dienstleister in Anspruch nehmen, der eine bestimmte Abdeckung und Qualität eines solchen privaten Netzes garantiert. Diese können zum einen in physikalischer Form umgesetzt werden – also als eigene Infrastruktur, die der Dienstleister für seinen Kunden aufbaut. Zum anderen werden gerade sehr kleine Betriebe aber auch virtuelle private Netze nutzen können. Diese laufen auf der Infrastruktur des Dienstleisters, werden aber virtuell abgetrennt und für die Bedürfnisse des Anwenders konfiguriert.
„Viele kleinere Produktionsbetriebe, die keine eigene IT-Abteilung haben, werden sicherlich froh sein, wenn ihnen ein Netzwerkbetreiber eine maßgeschneiderte Lösung anbietet und diese managt“, sagt Schotten und Schuster ergänzt: „Vor allem große Unternehmen werden wohl ihre eigene Frequenz besitzen wollen, um die 5G-Kommunikation optimal gestalten zu können. Eine Fabrik ist ja nichts Statisches, sondern wird ständig verändert.“ Da es in der Produktion viele sensible Daten gibt, möchte man diese nicht über eine öffentliche Infrastruktur teilen, „bei der nicht bekannt ist, welches Equipment eingesetzt wird oder welche Algorithmen angewandt werden“, sagt Müller. Campus-Netzwerke seien daher ein zentraler Aspekt. „Wenn es nicht gelingt, diese aufzubauen, sehe ich das Risiko, dass das ganze Thema 5G in der Industrie floppt“, warnt Müller.
Die privaten Campus-Netze werden auch als wichtige Voraussetzung gesehen, um Sicherheitsanforderungen im 5G-Netz zu erfüllen. Je stärker 5G-Netze in branchenspezifische Anwendungen vordringen, umso stärker entwickeln sich diese zu kritischen Infrastrukturen. Und wenn sensible Informationen – etwa Produktionsdaten – über diese Infrastrukturen transportiert werden, besteht die Gefahr, dass die Daten gestohlen oder verfälscht werden. 5G-Netze können damit – wie andere Kommunikationsnetze auch – als Basis für Industriespionage und -sabotage dienen. Sie müssen entsprechend geschützt werden – hardwarewie auch softwareseitig. Mit einer Campus-Lösung, bei der Daten nicht über das öffentliche Netz ausgetauscht werden, lassen sich diese Risiken reduzieren.
Backbone-Infrastruktur
Wenn es um die grundlegenden technischen Rahmenbedingungen für 5G in Deutschland geht, sehen fast alle Experten noch Nachholbedarf. So wird die eigentliche Backbone-Infrastruktur – also die Verknüpfung der großen Netzknoten miteinander – zwar als ausreichend bezeichnet. Wenn es allerdings um den Zugang zu den großen 5G-Basisstationen – zum Beispiel in den großen Gewerbegebieten – geht, dann muss in Deutschland noch einiges getan werden.Vielen Regionen fehlt es noch an den nötigen Glasfaserleitungen. „5G ergibt nur Sinn, wenn auch die Anbindung an das Kernnetz vorhanden ist. Da haben wir in Deutschland noch Nachholbedarf“, sagt Müller. Schotten sieht den Staat in der Pflicht, die momentan „suboptimale Situation“ in Deutschland deutlich zu verbessern. „Ich halte es für sinnvoll, durch Beratung, Gesetzgebungsverfahren oder Ähnliches dafür zu sorgen, dass der Aufbau für die Netzwerkbetreiber möglichst kosteneffizient möglich ist. Das gilt auch für den Ausbau der Glasfasernetze“, so Schotten.
Nationales Roaming
Grundsätzlich halten die befragten Experten ein nationales Roaming auf freiwilliger Basis für sinnvoll. Es wird als Möglichkeit gesehen, gerade in ländlichen Gebieten neuen Netzbetreibern den Markteintritt zu erleichtern. Mehrere Netzbetreiber schließen sich dabei zusammen, um eine Infrastruktur aufzubauen und diese gemeinsam zu nutzen. Wichtige Voraussetzung dafür ist jedoch, dass dabei transparent gehandelt wird und für alle Beteiligten sinnvolle Regelungen getroffen werden. So kommt es in entsprechenden Fällen häufig zu Problemen, weil geschäftliche Strategien nicht miteinander abgestimmt werden. Dann entstehen zum Beispiel Streitfälle zwischen Netzbetreibern, welcher Bereich beim Aufbau des Netzes priorisiert wird. Eine klare Absage gibt es an ein verpflichtendes nationales oder lokales Roaming. Die Experten befürchten, dass dies Investitionen verhindern würde. Netzbetreiber würden dann davon abgehalten, ein eigenes Netz aufzubauen, weil sie dieses einem Wettbewerber zwingend zur Verfügung stellen müssten.
„Neben einem möglichen Network Sharing in Form von National Roaming kann vor allem das Infrastructure Sharing die Umsetzung von 5G deutlich beschleunigen“, sagt Bruno Jacobfeuerborn. „Es wäre weder ökonomisch noch von Kommunen gerne gesehen, wenn jeder Anbieter für sich die zusätzlichen Masten nebeneinander baut. Hier kann und muss man Synergien nutzen – vor allem in wirtschaftlich wenig lukrativen Gebieten. Dazu bieten wir unsere Standorte allen Mobilfunkern und sonstigen Funkanbietern zur Mitnutzung an.“ (wag)
Dieser Text erschien zuerst auf VDE.com. Den kompletten Artikel mit allen Statements der Experten finden Sie auf der Seite des VDE (externer Link)
Kontakt zum VDE
VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V.
Stresemannallee 15
60596 Frankfurt am Main
Tel.: +49 69 6308-0
Fax: +49 69 6308-9865
E-Mail: service@vde.com
Website: www.vde.com/de
Ebenfalls interessant:
https://industrie.de/top/vernetzung-und-digitalisierung-treibt-automanager-um/
