Wie 5G IoT und Industrial IoT revolutionieren wird

Um die Auswirkungen von 5G-Mobilbreitbanddiensten auf IoT/IIoT zu erfahren, interviewte ich Jai Suri, Vice President, IoT and Blockchain Applications Development bei Oracle, und Mike Anderson, Embedded Systems Architect und Berater in der Luftfahrtindustrie. Ich fragte sie, ob wir kurz davor stehen, 5G in die Industrie zu bringen oder ob andere Anwendungen wahrscheinlich zuerst kommen. Laut beiden ist es kompliziert.

„5G wurde mit IoT-Anwendungsfällen im Kern entworfen, während 4G und frühere Standards primär für Sprache und Datentransfer konzipiert waren. Mit 4G/LTE ermöglichten schnelle Datendownloads Streaming-Inhalte, und 5G wird ultra-schnelle, latenzarme Kommunikation und die Fähigkeit bringen, 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 Frequenz, er bedeutet lediglich, dass es die fünfte Generation drahtloser mobiler Breitbandkommunikation ist (siehe „Understanding the Implications of 5G Cellular“, Sensor Technology, März 2020). Und es ist nicht nur eine Frequenz, es deckt drei Bänder ab:

• Low-Band: 600 – 850 MHz. Das ist nicht viel mehr als das aktuell verfügbare 4G.

• Mid-Band: 2,5 – 3,7 GHz.

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

5G im IIoT

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

Die herausragenden Vorteile von Millimeterwellen-5G sind hohe Geschwindigkeit, niedrige Latenz, hohe Anzahl verbundener Geräte und hohe Zuverlässigkeit. Mit einer 5G-Millimeterwellen-Verbindung erhält man die Art von Leistung, die man von einer kabelgebundenen Verbindung erwarten würde. Und wegen ihres hohen Frequenzbereichs ist sie typischerweise nicht anfällig für elektrische Störungen von nahegelegenen Geräten.

Die großen Probleme sind jedoch, dass Millimeterwellen-5G durch ein Fenster blockiert werden kann und nicht sehr weit eindringt. Das bedeutet, man braucht viele 5G-Zellen, um davon profitieren zu können. Auf einem vernünftig großen Fabrikboden bräuchte man wahrscheinlich 20 oder 30 Radios an der Decke über den primären Arbeitszellen, so Anderson.

Industrielle Anwendungen verlangen typischerweise hohe Zuverlässigkeit und 5G kann diese sicherlich liefern. Wie Anderson erklärte: „Die aktuelle 4G-Netzwerkzuverlässigkeit liegt bei 99,8 %. Eine Abbruchrate von 0,2 % gilt als super-zuverlässiges, carrier-grade Mobilfunknetz. Aber die Zuverlässigkeitsanforderung für industrielle Anwendungen beträgt typischerweise six-9s (99,9999 %). 5G-Netze können dieses Zuverlässigkeitsniveau durch Zellduplizierung, clevere Nutzung des Funkspektrums und massive MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) Antennen liefern.“

Um ein 5G-Signal von einem Telco in eine Fabrik zu bringen, müsste eine Antenne, die wie ein Miniatur-Funkturm aussieht, im Gebäude aufgestellt werden. Um dies in einer industriellen Anwendung zu nutzen, bräuchte man eine viel größere Infrastruktur im Gebäude – man kann nicht einfach das Gebäude durchdringen und fertig – es ist viel komplizierter. Je nach Frequenzbereich kann man das Signal möglicherweise nicht einmal auf der anderen Seite des Gebäudes sehen. Es gibt Träger und alle möglichen Dinge, die das Signal absorbieren. Man bräuchte also mehrere Antennen. Wer die Fabrik einrichtet, muss sicherstellen, dass diese Antennen eine angemessene Abdeckung im Gebäude haben und es keine Funklöcher gibt.

Hauptkandidaten für 5G

Digital Twins

Ein Digital Twin ist eine Echtzeit-dynamische Darstellung eines physischen Systems. Beispielsweise nutzt die Luftfahrtindustrie Digital Twins mehr oder weniger regelmäßig. Wenn man viel Technologie in einen Satelliten steckt und ihn in eine niedrige Erdumlaufbahn schickt, wird er wahrscheinlich Wartung benötigen. Wenn Software-Updates anstehen, können diese zuerst auf der Erde an einem Digital Twin – einem Echtzeit-digitalen Gegenstück des Satelliten – getestet werden, bevor sie hochgeladen werden. Damit der Digital Twin mit dem echten Objekt aktuell bleibt, muss eine große Datenmenge mit hoher Geschwindigkeit übertragen werden, was perfekt für 5G ist.

Virtual und Augmented Reality

Für Virtual Reality ist wahrnehmbare Latenz inakzeptabel. Daher sind die hohe Bandbreite, hoher Durchsatz und niedrige Latenz von 5G eine perfekte Passform. Eine Anwendung, wo Virtual Reality nützlich statt nur unterhaltsam ist, sind Simulatoren zum Training von Bedienern Systeme, die tödlich sein können, wenn etwas schiefgeht. Beispielsweise Bediener von Flugzeugen, Eisenbahnen, Schiffen und ganz sicher Bediener von Kernreaktoren.

„Ich war in einem Trainingsraum für ein Schiff, wo man nichts als leere Wände sieht, aber wenn man die Virtual-Reality-Brille aufsetzt, sieht man alle Steuerungen, die man normalerweise auf einem Schiff erwarten würde. Wenn der Simulator auch ein Digital Twin ist, werden diese virtuellen Steuerungen das tun, was sie auf einem echten Schiff tun würden“, sagte Anderson.

„Eine weitere Augmented-Reality-Anwendung ermöglicht Servicetechnikern – besonders Drittanbieter-Technikern – eine hochwertige Reparatur durchzuführen. Augmented Reality könnte sie durch den gesamten Reparaturprozess führen, indem sie ein präskriptives Wartungsmodell bereitstellt, um das Problem zu lokalisieren und 3D-Animationen auf einem Live-Video-Feed visuell zu überlagern, um die Schrittfolge anzuzeigen“, sagte Suri.

Predictive Maintenance

5G wäre auch hilfreich für Predictive Maintenance in Fällen, wo man eine Anwendung mit großen Mengen an Streaming-Daten hat, die man verfolgen und analysieren möchte.

Eine kritische Anwendung ist für sehr große Motoren oder Generatoren, die schwere Schäden verursachen könnten, wenn sie ausfielen, oder wichtige Dienste wie Stromerzeugung unterbrechen könnten. Echtzeit-Monitoring für Remote-Geräte, wie die Überwachung von Gaskompressoren in der Öl- und Gasindustrie, ist ein weiterer kritischer Anwendungsfall, so Suri.

Ein weiteres Beispiel: Wenn Sie ein HLK-Unternehmen sind, das Dachgeräte verkauft, möchten Sie Daten nicht nur für Wartung sammeln, sondern auch zur Nutzung. „Die Kosten für die Nutzung eines 4G-Netzwerks zur Sammlung nützlicher Daten betragen etwa 3–5 $ pro Monat. Wenn ich also ein Unternehmen habe, das Dach-HLKs verkauft und 100.000 Einheiten deployed hat, wird der Aufwand sehr signifikant. Und die Verarbeitung all dieser Daten, um nützliche Informationen zu erhalten, erhöht den Betriebsaufwand weiter“, sagte Suri. „Wenn Organisationen ihren Kunden Einblicke in Stromverbrauch versus Komfortniveau geben könnten, könnten diese Daten genutzt werden, um ein effizienteres Gerät zu verkaufen – oder Organisationen könnten nutzungsbasierte Preise anbieten, wo sie einfach eine monatliche Gebühr basierend auf der Anzahl der Betriebsstunden berechnen.“

Edge Computing

5Gs Versprechen niedriger Latenz, hoher Geschwindigkeit und hoher Zuverlässigkeit ermöglicht erweitertes Edge Computing, das Ingenieuren einen erweiterten Werkzeugkasten für das Design von Netzwerken bietet.

Edge Computing ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft:

• Mit 5G kann mehr Computing am Edge durchgeführt werden, weil der Edge neu definiert werden kann, um „lokale Clouds“ einzuschließen. Bisher musste niedrig-latentes Computing an jedem Sensorknoten durchgeführt werden, während weniger zeitkritisches Computing einem Unternehmensnetzwerk oder der öffentlichen Cloud zugewiesen werden konnte. Aber die Menge an Computing, die an Sensorknoten durchgeführt werden konnte, war aufgrund praktischer Beschränkungen bei physischer Größe und Stromverbrauch extrem begrenzt.

• Mit 5G-Verbindungen können Daten von Remote-Sensoren drahtlos an „lokale Clouds“ übertragen werden, die aus Standard-Computern bestehen. Diese Clouds könnten niedrig-latentes Computing durchführen, was ermöglicht, Entscheidungsfindung näher an der Datenquelle zu verlagern. Pakete mit sinnvollen Informationen statt Rohdaten könnten dann sowohl an Enterprise-Clouds als auch an öffentliche Clouds für weniger zeitkritische Verarbeitung und Speicherung gesendet werden.

• Zusätzlich möchten Organisationen möglicherweise die Fähigkeit haben, sensible Daten vor öffentlicher Exposition zu schützen. Edge-Systeme könnten Daten an der Quelle verarbeiten und nur anonymisierte und zusammengefasste Erkenntnisse an die Cloud zur weiteren Verarbeitung senden.

Autonome Fahrzeuge

„Wo ich glaube, 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 niedriger Latenz. Autonome Fahrzeuge müssen große Datenmengen über ihre Umgebung in Echtzeit assimilieren und schnell reagieren.“

Kommunikation zwischen einem Fahrzeug und allem in seiner Umgebung, einschließlich Fußgängern, anderen Autos und Ampeln, wird als V2X bezeichnet. Diese Technologie ermöglicht es Fahrzeugen, direkt miteinander zu kommunizieren zur Kollisionsvermeidung. Auch wenn ein Auto einer Kreuzung naht und eine Ampel vorhanden ist und beide auf 5G verbunden sind, könnte das Auto direkt mit der Ampel kommunizieren, um deren aktuellen Status zu verstehen.

„Um 5G für autonome Fahrzeuge zu implementieren, würde ein State Highway Department wahrscheinlich einen Vertrag an einen Telco (Telekommunikationsanbieter) vergeben, weil man deren Funkmasten und Support-Infrastruktur nutzen möchte“, sagte Anderson. „Für hohe Datenraten und niedrige Latenz bräuchte man mindestens 1 GHz Bandbreite. Und wenn man wirklich niedrige Latenz will, spricht man jetzt im 25 bis 27 GHz (Millimeterbereich), was bedeutet, dass man in einer Stadt jeden Block einen Funkmast braucht. In ländlichen Gebieten könnte man wohl etwa 5 Kilometer zwischen den Türmen schaffen.“

Da aktuelle Telco-Funkmasten etwa 20 Meilen Abstand haben, müssten viele neue errichtet werden. 5G-Millimeterwellen erfordern etwa fünfmal so viele Zellen wie für normale Frequenzbereiche. Der Rettungsanker ist, dass die Größe eines 25-GHz-Funkmastes viel kleiner ist als die bestehenden Telco-Funkmasten.

„Die Realität ist, dass zunächst das Millimeterwellenband für persönliche Nutzung der Menschen ausgerichtet sein wird, so dass diese Infrastruktur ohnehin errichtet wird. Dann wird Überkapazität an die Stadt oder den Staat für die Nutzung mit autonomen Fahrzeugen verkauft“, sagte Anderson.

Logistik

Logistik kann davon profitieren, große Fahrzeugzahlen in Echtzeit zu verfolgen und zu lokalisieren. Das wäre ein Segen für Flottenmanager. So oft hat das Tracking von Paketen darin bestanden, Informationen retrospektiv von einem Datenlogger abzurufen. Echtzeit-Fahrzeug-Tracking-Systeme nutzen jedoch GPS und Mobilfunkdaten, um Informationen über Standort und Fahrtrichtung an eine Leitstelle zu übertragen. Diese Daten können verwendet werden, um Routen zu troubleshooten oder Logistikoperationen zu optimieren. Fahrzeug-Tracking-Systeme können auch Betriebsinformationen über das Fahrzeug senden, wie Kraftstoffstand, Reifendruck, Zündstatus und Motortemperatur, die zur Wartungsplanung genutzt werden können. 5G-Nutzung in dieser Art von Anwendung könnte ebenfalls eine Killer-App sein.

Fazit

Die Quintessenz ist, dass 5G einen signifikanten Einfluss auf sowohl IoT als auch IIoT haben wird, aber sich dies langsam entwickeln wird, manche Sektoren früher, manche später. Insgesamt liegt der Zeitrahmen für die signifikante Integration von 5G in IoT/IIoT-Anwendungen in der Größenordnung von fünf bis zehn Jahren.

Dieser Artikel wurde von Ed Brown, Editor of Sensor Technology, verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Ed unter This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. oder besuchen Sie hier .