Was bringt 5G für das IoT/IIoT?

Um mehr über die Auswirkungen des mobilen 5G-Breitbanddienstes auf das IoT/IIoT zu erfahren, habe ich Jai Suri, Vice President, IoT and Blockchain Applications Development, Oracle, und Mike Anderson, Embedded Systems Architect und Berater in der Luft- und Raumfahrtindustrie, interviewt. Ich habe sie gefragt, ob wir kurz davor stehen, 5G in die Industrie zu bringen, oder ob andere Anwendungen wahrscheinlich zuerst kommen werden. Beiden zufolge ist es kompliziert.

„5G wurde im Kern mit IoT-Anwendungsfällen entwickelt, während 4G und frühere Standards hauptsächlich für die Sprach- und Datenübertragung entwickelt wurden. Mit 4G/LTE ermöglichen schnelle Datendownloads das Streamen von Inhalten, und 5G wird eine ultraschnelle Kommunikation mit geringer Latenz und die Fähigkeit einleiten, Millionen von Geräten pro Quadratkilometer zu verwalten“, sagte Suri.

Es ist wichtig, mit ein paar Klarstellungen zu beginnen. Der Begriff 5G bezieht sich nicht auf die Frequenz, er bedeutet einfach, dass es sich um die fünfte Generation der drahtlosen mobilen Breitbandkommunikation handelt (siehe „Understanding the Implications of 5G Cellular“, Sensor Technology, März 2020.) Und es ist nicht nur eine Frequenz, sondern drei Bänder:

• Low-Band liegt zwischen 600 und 850 MHz. Das ist nicht viel mehr als das derzeit verfügbare 4G.

• Midband deckt den Bereich von 2,5 – 3,7 GHz ab.

• High-Band arbeitet von 25 – 39 GHz. Signale in diesem Frequenzbereich werden allgemein als Millimeterwellen bezeichnet und bieten die extreme Leistung, an die viele Menschen denken, wenn sie an 5G denken.

5G im IIoT

Das Third Generation Partnership Project (3GPP) ist eine internationale Standardisierungsorganisation, die Protokolle für die Mobiltelefonie entwickelt. Ihr Release 15 konzentrierte sich auf 5G für Verbraucher, während das aktuelle Release 16 den Fokus vom Verbraucher auf das IIoT und andere Industriemärkte verlagert. Ihre Absicht ist es, im Laufe der Zeit Standards für die Entwicklung und Implementierung einer wachsenden Zahl von 5G-Anwendungen zu veröffentlichen.

Die herausragenden Vorteile von Millimeterwellen-5G sind hohe Geschwindigkeit, geringe Latenz, eine hohe Anzahl verbundener Geräte und eine hohe Zuverlässigkeit. Mit einer drahtlosen 5G-Millimeter-Verbindung erhalten Sie die Leistung, die Sie von einer kabelgebundenen Verbindung erwarten würden. Und aufgrund seines hohen Frequenzbereichs ist es normalerweise nicht anfällig für elektrische Interferenzen von Geräten in der Nähe.

Die großen Probleme sind jedoch, dass Millimeterwellen 5G durch ein Fenster blockiert werden können und nicht sehr weit eindringen. Das bedeutet, dass Sie viele 5G-Zellen haben müssen, um sie nutzen zu können. Laut Anderson benötigen Sie in einer angemessen großen Fabrikhalle wahrscheinlich 20 oder 30 Funkgeräte an der Decke über Ihren primären Arbeitszellen.

Industrielle Anwendungen erfordern in der Regel eine hohe Zuverlässigkeit, und 5G kann dies mit Sicherheit leisten. Wie Anderson erklärte, „liegt die aktuelle Zuverlässigkeit des 4G-Netzwerks bei 99,8 %. Eine Dropped Call Rate von 0,2 % gilt als superzuverlässiges Mobilfunknetz der Carrier-Klasse. Die Zuverlässigkeitsanforderung für industrielle Anwendungen liegt jedoch typischerweise bei 6-9s (99,9999 %). 5G-Netzwerke können dieses Maß an Zuverlässigkeit durch Zellenduplizierung, die clevere Nutzung des Funkspektrums und massive MIMO-Antennen (Multiple-In, Multiple-Out) erreichen.“

Um ein 5G-Signal von einem Telekommunikationsunternehmen in eine Fabrik zu bringen, müsste im Inneren des Gebäudes eine Antenne aufgestellt werden, die wie ein Miniatur-Mobilfunkmast aussieht. Um dies in einer industriellen Anwendung zu nutzen, bräuchte man eine viel größere Infrastruktur innerhalb des Gebäudes – man könnte nicht einfach in das Gebäude eindringen und fertig – es ist viel komplizierter. Je nach Frequenzbereich können Sie das Signal auf der anderen Seite des Gebäudes möglicherweise nicht einmal sehen. Es gibt Träger und alle möglichen Dinge, die das Signal absorbieren. Sie benötigen also mehrere Antennen. Wer auch immer die Fabrik aufbaut, muss sicherstellen, dass diese Antennen eine ausreichende Abdeckung innerhalb des Gebäudes haben und dass es keine Funklöcher gibt.

Hauptkandidaten für 5G

Digitale Zwillinge

Ein digitaler Zwilling ist eine dynamische Darstellung eines physischen Systems in Echtzeit. Beispielsweise nutzt die Luft- und Raumfahrtindustrie mehr oder weniger regelmäßig digitale Zwillinge. Wenn Sie eine ganze Menge Technologie in einen Satelliten einbauen und ihn in eine erdnahe Umlaufbahn schicken, muss er wahrscheinlich gewartet werden. Wenn es Software-Updates gibt, können diese zunächst auf der Erde in einem digitalen Zwilling – einem digitalen Echtzeit-Gegenstück des Satelliten – getestet werden, bevor sie hochgeladen werden. Damit der digitale Zwilling mit der Realität auf dem Laufenden bleibt, müssen große Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit übertragen werden, was perfekt für 5G ist.

Virtuelle und erweiterte Realität

Für die virtuelle Realität ist eine nachweisbare Latenz nicht akzeptabel. Die hohe Bandbreite, der hohe Durchsatz und die geringe Latenz von 5G passen also perfekt. Eine Anwendung, bei der Virtual Reality nicht nur unterhaltsam, sondern nützlich ist, besteht darin, dass Simulatoren Bediener von Systemen schulen, die tödlich sein können, wenn etwas schief geht. Zum Beispiel Flugzeug-, Eisenbahn- oder Schiffsbetreiber und vor allem Betreiber von Kernreaktoren.

„Ich war in einem Schulungsraum für ein Schiff, wo Sie nichts als leere Wände sehen, aber wenn Sie die Virtual-Reality-Brille aufsetzen, sehen Sie alle Bedienelemente, die Sie normalerweise in einem Schiff erwarten würden. Wenn der Simulator auch ein digitaler Zwilling ist, werden diese virtuellen Steuerungen das tun, was sie auf einem echten Schiff tun würden“, sagte Anderson.

„Eine weitere Augmented-Reality-Anwendung versetzt Servicetechniker – und insbesondere Techniker von Drittanbietern – in die Lage, eine qualitativ hochwertige Reparatur durchzuführen. Augmented Reality könnte sie durch den gesamten Reparaturprozess führen, indem sie ein vorgeschriebenes Wartungsmodell bereitstellt, um das Problem genau zu lokalisieren, und eine 3D-Animation auf einem Live-Video-Feed visuell überlagert, um die Abfolge der durchzuführenden Schritte zu zeigen“, sagte Suri.

Vorausschauende Wartung

5G wäre auch hilfreich für die vorbeugende Wartung in Fällen, in denen Sie eine Anwendung mit großen Mengen an Streaming-Daten haben, die Sie verfolgen und analysieren möchten.

Eine kritische Anwendung sind sehr große Motoren oder Generatoren, die bei einem Ausfall schwere Schäden verursachen oder wichtige Dienste wie die Stromerzeugung unterbrechen könnten. Laut Suri ist die Echtzeit-Überwachung für entfernte Geräte, wie die Überwachung von Gaskompressoren in der Öl- und Gasindustrie, ein weiterer kritischer Anwendungsfall.

Ein weiteres Beispiel:Wenn Sie ein HLK-Unternehmen sind, das Dacheinheiten verkauft, möchten Sie nicht nur Daten zur Wartung, sondern auch zur Nutzung sammeln. „Die Kosten für die Nutzung eines 4G-Netzwerks zum Sammeln nützlicher Daten belaufen sich auf etwa 3 bis 5 US-Dollar pro Monat. Wenn ich also ein Unternehmen habe, das HVACs auf dem Dach verkauft, und ich 100.000 Einheiten im Einsatz habe, werden die Kosten sehr hoch sein. Und die Verarbeitung all dieser Daten, um nützliche Informationen zu erhalten, erhöht die Betriebskosten weiter“, sagte Suri. „Wenn Organisationen ihren Kunden Einblicke in den Stromverbrauch im Vergleich zum Komfortniveau geben könnten, könnten diese Daten verwendet werden, um ein effizienteres Gerät zu verkaufen – oder Organisationen könnten nutzungsbasierte Preise anbieten, bei denen sie einfach eine monatliche Gebühr basierend auf der Anzahl der Stunden berechnen es lief.“

Edge-Computing

Das Versprechen von 5G für geringe Latenz, hohe Geschwindigkeit und hohe Zuverlässigkeit ermöglicht verbessertes Edge-Computing, um Ingenieuren eine erweiterte Toolbox zum Entwerfen von Netzwerken bereitzustellen.

Edge-Computing ist in vielerlei Hinsicht vorteilhaft:

• Mit 5G kann am Rand mehr Rechenleistung erbracht werden, da der Rand neu definiert werden kann, um „lokale Clouds“ einzuschließen. Zuvor musste an jedem Sensorknoten eine Berechnung mit geringer Latenz erfolgen, während weniger zeitkritische Berechnungen einem Netzwerk auf Unternehmensebene oder der öffentlichen Cloud zugewiesen werden konnten. Aber der Rechenaufwand, der an Sensorknoten durchgeführt werden konnte, war aufgrund praktischer Beschränkungen in Bezug auf die physische Größe und den Stromverbrauch äußerst begrenzt.

• Mit 5G-Verbindungen können Daten von entfernten Sensoren jedoch drahtlos an „lokale Clouds“ übertragen werden, die aus handelsüblichen Computern bestehen. Diese Clouds könnten Berechnungen mit geringer Latenz durchführen, wodurch die Entscheidungsfindung näher an die Datenquelle verlagert werden kann. Pakete mit aussagekräftigen Informationen anstelle von Rohdaten könnten dann zur weniger zeitkritischen Verarbeitung und Speicherung sowohl an Unternehmens-Clouds als auch an öffentliche Clouds gesendet werden.

• Darüber hinaus möchten Unternehmen möglicherweise die Möglichkeit haben, vertrauliche Daten vor der Öffentlichkeit zu schützen. Edge-Systeme könnten Daten an der Quelle verarbeiten und nur anonymisierte und zusammengefasste Erkenntnisse zur weiteren Verarbeitung an die Cloud senden.

Autonome Fahrzeuge

„Wo ich denke, dass Sie 5G als Killer-App sehen werden, sind autonome Fahrzeuge“, sagte Anderson. „Sie haben viele Sensoren:Lidar, Radar, Kameras. Diese produzieren alle große Datenmengen und erfordern sehr schnelle Reaktionszeiten mit extrem geringer Latenz. Autonome Fahrzeuge müssen große Datenmengen über ihre Umgebung in Echtzeit verarbeiten und schnell reagieren.“

Die Kommunikation zwischen einem Fahrzeug und allem in seiner Umgebung, einschließlich Fußgängern, anderen Autos und Ampeln, wird als V2X bezeichnet. Diese Technologie ermöglicht es Fahrzeugen, zur Unfallvermeidung direkt miteinander zu kommunizieren. Wenn sich ein Auto einer Kreuzung nähert und es eine Ampel gibt und beide über 5G verbunden sind, könnte das Auto direkt mit der Ampel kommunizieren, um seinen aktuellen Status zu erfahren.

„Um 5G für autonome Fahrzeuge zu implementieren, würde ein State Highway Department wahrscheinlich einen Vertrag an einen Telekommunikationsanbieter (Telekommunikationsbetreiber) vergeben, weil Sie dessen Mobilfunkmasten und ihre Support-Infrastruktur nutzen möchten“, sagte Anderson. „Für hohe Datenraten und geringe Latenz benötigen Sie eine Bandbreite von mindestens 1 GHz. Und wenn Sie wirklich niedrige Latenzzeiten wollen, sprechen Sie jetzt im Bereich von 25 bis 27 GHz (Millimeterbereich), was bedeutet, dass Sie in jedem Block einer Stadt einen Mobilfunkmast benötigen. In ländlichen Gebieten könnten Sie wahrscheinlich etwa 5 Kilometer zwischen den Türmen zurücklegen.“

Da derzeitige Telekommunikationszellenmasten etwa 20 Meilen voneinander entfernt sind, müssten viele neue errichtet werden. 5G-Millimeterwellen benötigen etwa fünfmal so viele Zellen wie für die normalen Frequenzbereiche. Der Vorteil besteht darin, dass die Größe eines 25-GHz-Mobilfunkmasts viel kleiner ist als die der bestehenden Telekommunikations-Mobilfunkmasten.

„Die Realität ist, dass das Millimeterwellenband zunächst auf den persönlichen Gebrauch der Menschen ausgerichtet sein wird, sodass die Infrastruktur ohnehin eingerichtet wird. Dann werden überschüssige Kapazitäten an die Stadt oder den Staat zur Nutzung mit autonomen Fahrzeugen verkauft“, sagte Anderson.

Logistik

Die Logistik kann davon profitieren, eine große Anzahl von Fahrzeugen in Echtzeit verfolgen und lokalisieren zu können. Dies wäre eine Goldgrube für Flottenmanager. Das Nachverfolgen von Paketen lief so oft darauf hinaus, nachträglich Informationen von einem Datenlogger abzurufen. Echtzeit-Fahrzeugverfolgungssysteme verwenden jedoch GPS- und Mobilfunkdaten, um Informationen über den Standort und die Bewegungsrichtung an eine Kontrollstation zu übertragen. Diese Daten können verwendet werden, um Routen zu beheben oder Logistikabläufe zu optimieren. Fahrzeugverfolgungssysteme können auch Betriebsinformationen über das Fahrzeug senden, wie z. B. Kraftstoffstand, Reifendruck, Zündstatus und Motortemperatur, die zur Planung von Wartungsarbeiten verwendet werden können. Die 5G-Nutzung in dieser Art von Anwendung könnte auch eine Killer-App sein.

Fazit

Unter dem Strich wird 5G sowohl das IoT als auch das IIoT erheblich beeinflussen, aber dies wird sich langsam entwickeln, einige Sektoren früher und einige später. Insgesamt liegt der Zeitrahmen für eine signifikante Integration von 5G in IoT/IIoT-Anwendungen in der Größenordnung von fünf bis zehn Jahren.

Dieser Artikel wurde von Ed Brown, Herausgeber von Sensor Technology, verfasst. Wenden Sie sich für weitere Informationen an Ed unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann. oder besuchen Sie hier .