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5G bietet genügend Bandbreite für Industrie 4.0

Der neue Mobilfunk-Standard 5G bietet dank hoher Datenraten und geringen Latenzzeiten die optimale Voraussetzung für Industrie 4.0 und die intelligente Fertigung der Zukunft.

Die fünfte Generation (5G) des Mobilfunks erhöht nicht nur die Bandbreite von Mobilfunknetzen auf theoretisch bis zu 10 GBit/s (LTE 100 MBit/s), sondern stellt im Gegensatz zu früheren Generationen (2G, 3G und 4G LTE) auch eine fortschrittliche drahtlose Verbindung für eine Vielzahl von vertikalen Branchen bereit, beispielsweise für die Fertigungs- und Automobilindustrie oder den Agrarsektor. Die vierte Stufe der industriellen Revolution, auch Industrie 4.0 genannt, wird als nächste Ära der industriellen Produktion weitgehend von einer fortschrittlichen Mobilfunkverbindung abhängig sein.

Während die früheren Mobilfunk-Generationen als universell einsetzbare Konnektivitätsplattformen mit begrenzten Möglichkeiten für spezifische Anwendungsfälle konzipiert wurden, wird beim 5G-Mobilfunk alles ganz anders sein. 5G ist ein Ökosystem für technische sowie Geschäftsinnovation mit vielen Anwendungen und ihren Anforderungen: hohe Zuverlässigkeit, extrem niedrige Latenzzeiten, hohe Bandbreite und Mobilität. Einige der neueren Funktionen wie Cloud-Plattformen, Analysen, Systemautomatisierung, Network-Slicing-Technologien sowie neue Geschäftsmodelle schaffen neues Potenzial für Industrie 4.0.

Eine Schlüsselfunktion dabei bildet Network Slicing, das die flexible Aufteilung eines physischen Netzwerks in mehrere logische virtuelle Netzwerke ermöglicht. Damit lassen sich neue Services und neue Anforderungen schnell umsetzen. Network Slicing löst Herausforderungen wie Kosten, Effizienz und andere Anforderungen der künftigen Services für verschiedene Branchen.

5G Americas, der Branchenverband und die Stimme von 5G und LTE für Nord- und Südamerika, veröffentlichte dazu das Whitepaper 5G Communications for Automation in Vertical Domains. Es fasst Automatisierungskonzepte und Kommunikationsmodelle für vertikale Branchen zusammen und berücksichtigt dabei die wichtigsten spezifischen Anwendungsfälle, Anforderungen und Sicherheitsmechanismen. Das Whitepaper ist auf der Website des Unternehmens 5GAmericas.org zum kostenlosen Download verfügbar und bildet eine wichtige Quelle für diesen Artikel.

Die Kommunikation für die Automatisierung in unterschiedlichen Segmenten stellt hohe und vielfältige Anforderungen an Latenz, Datenraten, Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und teilweise genaue Positionierung. Die vertikalen Industrien, die von diesem neuen Automatisierungsgrad profitieren werden, reichen von Eisenbahnen, Gebäuden, Fabriken, Gesundheitswesen, Smart Cities, Stromversorgung bis hin zu besonderen Veranstaltungen.

5G und Industrie 4.0

Für Industrie 4.0 lässt sich dieses neue Potenzial nur komplett ausschöpfen, wenn die Kommunikation zwischen Maschinen sicher, zuverlässig und nahtlos funktioniert. Um dies zu erreichen, unterstützt 5G drei wesentliche Arten der Kommunikation: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Massive Machine Type Communication (mMTC) und Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC). Industrie 4.0 benötigt eine leistungsfähige Kommunikationsinfrastruktur, um die zukünftigen intelligenten Fabriken flexibler, vielseitiger, benutzerfreundlicher und effizienter zu gestalten sowie IoT (Internet of Things) und verwandte Services in die industrielle Fertigung zu integrieren. Weiteres Ziel ist die nahtlose vertikale und horizontale Integration entlang der gesamten Wertschöpfungskette sowie über alle Ebenen der Automatisierungspyramide hinweg.

Das Erreichen dieser Ziele hängt stark von der technischen Leistung von 5G ab. Dazu gehören eine maximale Datenrate von ein bis 20 Gbit/s, eine Verbindungsdichte von 1.000 bis eine Million Geräte/km2, eine Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von 99,999 Prozent, einer verlängerten Akkulaufzeit von zehn Jahren, einer höheren Positionsgenauigkeit, eine Latenz von einer bis zehn Millisekunden sowie eine hohe Sicherheit und ein hohes Maß an Datenschutz.

Es wird immer wichtiger, dass 5G-Technologien eine hochzuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenzzeit bereitstellen, die in verschiedenen Branchen die Automatisierung durch unternehmenskritische Anwendungsfälle für Machine Type Communication ermöglicht. Eine Studie des Standardisierungsgremium 3GPP (3rd Generation Partnership Project) konzentriert sich derzeit auf die Anforderungen an die Automatisierung in verschiedenen Branchen, für die Kommunikation extrem wichtig ist, um drahtlose Regelkreise zu ermöglichen. Ziel ist es, einen Standard für 5G und Automatisierung in verschiedenen vertikalen Industrien zu schaffen.

Die 5G-Technologie wird eine breite Palette vertikaler Anwendungen wie IoT, Virtual Reality, industrielle Steuerung, Smart Cities, Smart Grids und intelligente Fabriken zur Blüte bringen. Sicherheit und nahtlose Kommunikation durch 5G werden von größter Bedeutung sein, wenn wir uns in diversen Branchen in Richtung Automatisierung bewegen.

Intelligente Fertigung

Durch die Kombination von Mobilfunknetzen mit dem Industriellen IoT (IIoT) wird die Fertigung effektiver und flexibler. Die Mobilfunknetze ermöglichen mittlerweile IoT-Anwendungen mit extrem geringen Latenzzeiten, die den Anforderungen des IIoT entsprechen. Derzeit basieren die meisten Anwendungsfälle in Produktionsstätten auf kabelgebundener Kommunikation. Da die Funktionen der modernen Mobilfunknetze die industriellen Ethernet-Systeme künftig herausfordern, werden Kabel in vielen Fällen redundant sein. Damit entstehen neue Optionen für eine flexiblere Produktion und erweiterte digitale Abläufe. Die Anwendungsfälle für die fortgeschrittene Fertigung von morgen erfordern eine bessere Konnektivität über 5G.

Die Marktentwicklung für die intelligente drahtlose Fertigung wird davon abhängen,

  • ob der Wert der Mobilität oder der Funkverbindungen über eine gemeinsame Serviceplattform nachgewiesen wird;
  • ob Angebote entstehen, die Probleme und Herausforderungen lösen, die Investitionen in eine neue Technologie kompensieren und damit den praktischen und geschäftlichen Wert der neuen Netze nachweisen;
  • und ob horizontale und skalierbare Systeme aufgebaut werden, um Fragen oder Probleme rund um Kosten, Bereitstellung und Frequenzen zu meistern.

Den heutigen Firmen aus der Fertigungsindustrie ist vielleicht nicht bewusst, welche Fähigkeiten ihre Mobilfunknetze bereits besitzen, wie diese verschiedene digitale Systeme ermöglichen und wie diese Technologien schließlich die heutigen Probleme und Herausforderungen der Hersteller ansprechen.

Zu den Bereichen, die von der 5G-Konnektivität und der Mobilität für die Automatisierung profitieren werden, gehören zum Beispiel Produktionsstätten mit automatisierten Fahrzeugen und Montagelagern, die eine sichere und präzise Verwaltung sowie das Tracken von Verkehr, Datenflüssen und Anlagen benötigen. Weitere Anwendungsbeispiele sind Fertigungsfälle mit vielen Varianten und geringer Produktionsmenge, bei denen die Konfiguration von Produktionslinien per Funk im Vergleich zu verkabelten Produktionslinien einfach und flexibel abläuft. Denkbar sind auch Prozesse, die sich nicht über Kabel überwachen und steuern lassen, aber eine drahtlose Datenübertragung in Echtzeit und eine stabile, deterministische Netzwerkleistung (Bandbreite und Latenzzeit) erfordern; oder Prozesse, die für menschliche Fehler anfällig sind.

Hinzu kommt eine fortschrittliche Fertigung, die einen Wissens- und Qualifikationstransfer erfordert, bei der digitale Werkzeuge weit verbreitet sind, um Fehler zu mindern und ein schnelleres Lernen zu fördern. Von 5G profitieren zudem Prozesse, bei denen die Koordination von Fabriken, Ressourcen und Komponenten zeitkritisch oder entscheidend für das Ergebnis ist (zum Beispiel Produktqualität und rechtzeitige Lieferung).

Die zukünftigen 5G-Systeme zielen darauf ab, mobile Kommunikationsdienste über Mobilfunk und Breitband hinaus in neue vertikale Bereiche mit speziellen Kommunikationsservices zu erweitern, um verschiedene Anwendungsfälle und Dienste zu automatisieren. Zu den wichtigsten vertikalen Bereichen und Anwendungsfällen mit einem zwingenden Automatisierungsbedarf gehören:

  • Schienengebundener Nahverkehr
  • Gebäudeautomation
  • Fabrik der Zukunft
  • eHealth
  • Smart City
  • Verteilung elektrischer Energie
  • Zentrale Stromerzeugung
  • Programmgestaltung und besondere Events
  • Intelligente Landwirtschaft

Die Kommunikation für die Automatisierung in vertikalen Sektoren stellt hohe und vielfältige Anforderungen und muss Anwendungen für die Produktion im entsprechenden vertikalen Bereich unterstützen (zum Beispiel Automatisierung in der Industrie oder Energiewirtschaft, aber auch Transport und Logistik). Dies muss in neue Sicherheitsstandards und Mechanismen für eine zuverlässige Kommunikation integriert werden.

3GPP-Standards für die Automatisierung in verschiedenen Branchen

5G-Systeme werden die mobilen Kommunikationsdienste über mobiles Telefonieren, mobiles Breitband und massive maschinelle Kommunikation hinaus auf vertikale Branchen mit besonderen Anforderungen ausweiten. Die Kommunikation zur Automatisierung in den jeweiligen Branchen benötigt hohe Verfügbarkeit, hohe Zuverlässigkeit, geringe Latenzzeiten und teilweise hochgenaue Positionierung.

Die Studie von 3GPP über die Anforderungen an die Automatisierung in verschiedenen Branchen konzentriert sich auf Kommunikation als Wegbereiter von drahtlosen Regelkreisen, die benötigt werden, um 5G für die Automatisierung in einer Vielzahl von Branchen bereitzustellen. Aufkommende Fragen beziehen sich hauptsächlich auf Probleme bei der Koexistenz von Technologien, die sich auf die industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Funkbänder stützen. 3GPP-Systeme und sicherlich auch 5G sind auf eine höhere Servicequalität ausgelegt. Die 3GPP SA1-Studiengruppe wird Serviceanforderungen formulieren und dabei insbesondere zwei Merkmale der sich entwickelnden 5G-Technologie nutzen, den kontrollierten Kanalzugang und die Nutzung alternativer Frequenzbänder, um die Bedürfnisse der kritischen Kommunikation zu erfüllen und Probleme bei der Koexistenz von Technologien zu überwinden. Die Arbeitsgruppe hat die Arbeiten im Mai 2018 abgeschlossen mit folgenden Ergebnissen beziehungsweise Zielen:

  • Umfrage zu Industriestandards in Bezug auf kritische Kommunikation;
  • Identifizieren von potenzieller Anforderungen an 5G-Netze durch neue Sektoren;
  • Erörterung neuer vertikaler Anwendungsfälle (zum Beispiel Zugkontrolle im Nahverkehr); und
  • Untersuchen der Sicherheitsstandards der Branche und ihrer Auswirkungen auf die kritische Kommunikation über 5G-Netzwerke.

Auf dem Weg zu 5G skaliert die Echtzeitautomatisierung von lokalem Computing über verteilte Großrechner bis hin zu geschäftskritischen Anwendungen. In Abbildung 1 beschreibt Ericsson die Entwicklung der Echtzeit-Automatisierung mit 5G:

  • Lokale Automatisierung wie intelligente Stromzähler (Smart Meter), intelligente Gewächshäuser und landwirtschaftliche Fernerkundung;
  • weitreichende Automatisierung wie Präzisionsmedizin, Echtzeit-Lastausgleich im Rechenzentrum, dezentrales Energiemanagement sowie mobiler und hochfrequenter Echtzeithandel an der Börse; und
  • geschäftskritische Automatisierung wie bioelektronische Medizin, virtuelle Kraftwerke und Management der Netze mit den Erzeugern von Solarstrom und so weiter.
Abbildung 1: Entwicklungsstufen auf dem Weg zur Echtzeitautomatisierung mit 5GAbbildung 1: Entwicklungsstufen auf dem Weg zur Echtzeitautomatisierung mit 5G

Sicherheit

Die Anforderungen an die Sicherheit für die Automatisierung in vertikalen Domänen sind komplex, da sie von mehreren Akteuren gemeinsam getragen und über Berechtigungspaare oder Zertifikate aus verschiedenen Quellen verwaltet werden müssen. Das zeigt das beriets genannte Whitepaper von 5G Americas. Die Authentifizierung und Verifizierung erfolgt über das EAP-Framework (Extensible Authentication Protocol). Zu den 5G-Sicherheitsfunktionen gehört die native Unterstützung von EAP. Das 5G-Mandat für das EAP Authentication and Key Agreement (EAP-AKA) ermöglicht es, in Zukunft neue Methoden der EAP-Authentifizierung für die Authentifizierung von IIoT-Systemen zu ergänzen.

In vielen Branchen sind Geräte sehr lang im Einsatz, in industriellen Umgebungen typischerweise zehn bis 20 Jahre. Es ist wichtig, dass ein System für die Automatisierung von Anwendungen über einen längeren Zeitraum genutzt werden kann, ohne dass für Upgrades ein regelmäßiger physischer Zugriff auf die Geräte erforderlich ist, etwa durch den Austausch von Hardwarekomponenten oder die Neugestaltung des technischen Systems. Die einzelnen Geräte sollten sich aufrüsten oder regelmäßig mit Patches aktualisieren lassen (einschließlich Firmware, sicherheitsrelevante Algorithmen und Langzeitschlüssel), um die Sicherheit des Systems über die Lebensdauer der Geräte auf dem neuesten Stand der Technik zu halten.

Gilt die vom Kommunikationssystem gebotene Sicherheit für eine vertikale Anwendung zur Automatisierung als unzureichend, wird die Sicherheit des Industriesystems auf der Applikationsschicht realisiert (etwa mit IPsec oder TLS). 5G bietet sichere Kommunikation sowie modernste Verschlüsselung und setzt auf Mechanismen zum Integritätsschutz, um die Benutzerebene, die Steuerungsebene und den Datenverkehr für das Management abzusichern. Darüber hinaus unterstützt 5G den Schutz der Benutzerdaten für Informationen, die von Unbefugten zur Identifizierung und Verfolgung von Teilnehmern verwendet werden können, Das ist zum Beispiel der Schutz von permanenten Identifikatoren wie Subscription Permanent Identifier (SUPI), International Mobile Subscriber Identity (IMSI) und International Mobile Equipment Identity (IMEI).

5G wird sich schnell verbreiten

Wenn 5G mit frühen Implementierungen 2019 auf den Markt kommt, nimmt die Dynamik zu, da Dienstleister ihre Pläne für den 5G-Rollout beschleunigen. In seinem 3Q 2018 Mobility Report prognostizierte Ericsson, dass 5G im Jahr 2024 rund 40 Prozent der Bevölkerung abdecken und 1,5 Milliarden Abonnements erreichen wird – und damit die am schnellsten jemals eingeführte Mobilfunk-Generation weltweit sein wird. Dies wird durch neue innovative Systeme erreicht, die auf der bestehenden Infrastruktur und dem verfügbaren Spektrum aufbauen.

Parallel zum 5G-Rollout setzt das Mobilfunk-IoT neue Meilensteine auf dem Weg zur Technologie der Wahl für weiträumige IoT-Anwendungen. Unterstützt durch eine starke Akzeptanz in Nordostasien sollen diese IoT-Verbindungen bis 2024 die Vier-Milliarden-Grenze überschreiten. Viele vertikale Branchen blicken mit großer Erwartung darauf, was 5G zu Produktivität, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Servicequalität und Innovationen und Services beitragen wird. Der neue Mobilfunk-Standard wird nach Jahren der Forschung, Standardisierung und Tests die Industrie revolutionieren und die Wirtschaft ankurbeln.

Über 5G Americas: Die Stimme von 5G und LTE für Amerika

Der Industrieverband 5G Americas setzt sich aus führenden Dienstleistern und Herstellern aus der Telekommunikations-Branche zusammen. Ziel der Organisation ist es, die LTE-Mobilfunktechnologien zu forcieren und deren Entwicklung zu 5G im gesamten Ökosystem der Netzwerke, Services, Anwendungen und per Funk verbundenen Geräte in Nord- und Südamerika zu fördern. 5G Americas investiert in die Entwicklung einer vernetzten Mobilfunk-Community und leitet gleichzeitig die 5G-Entwicklung für ganz Amerika. 5G Americas hat seinen Hauptsitz in Bellevue, Washington. Weitere Informationen finden Sie unter http://www.5gamericas.org/ oder Twitter @5GAmericas.

Zu den Mitgliedern von 5G Americas gehören AT&T, Cable & Wireless, Cisco, CommScope, Ericsson, Intel, Kathrein, Mavenir, Nokia, Qualcomm, Samsung, Shaw Communications, Sprint, T-Mobile USA, Telefónica und WOM.

Die Autoren sind für den Inhalt und die Richtigkeit ihrer Beiträge selbst verantwortlich. Die dargelegten Meinungen geben die Ansichten der Autoren wieder und entsprechen nicht unbedingt denen von ComputerWeekly.de.

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