Der Roboter Baxter steht im Fraunhofer-Institut Fokus in Berlin. Er wird für Forschungsarbeiten zum Mobilfunkstandard 5G genutzt. Solche Antennen stehen zwar nicht in der Produktion, können aber am anderen Ende Teil des 5G-Netzes sein. (Bild: pixabay/liggraphy)

Industrie 4.0 und 5G hängen eng zusammen, wie bereits erste Testfeldapplikationen im Maschinenbau und anderen Branchen demonstrieren. Und es geht um deutlich mehr als nur Bandbreite, da der durchgängige Datenaustausch zwischen Maschinen, Anlagen, Mensch und Robotern immer mehr im Fokus einer Smart Factory stehen. Eine kurze Bestandsaufnahme zeigt den Status.

Dem Weg zur Gigabitgesellschaft kreuzt die 5G-Technologie dieses Jahr. Im Bereich der vertikalen Industrien bietet sich damit die Überholspur, denn dem vernetzten Fahren, Effizienzsteigerungen in der Logistik, dem Management dezentraler Energienetze oder den Weiterentwicklungen im Medizin- oder Mediensektor sind hochleistungsfähige mobile Kommunikationsinfrastrukturen unverzichtbar. Solche Anwendungsfelder brauchen 5G, die die Laufzeit der Signale im Netz gegenüber LTE bis um den Faktor 40 verkürzt. Diese Signalverzögerung (Latenz) beträgt dann idealerweise nur noch eine Millisekunde – also Reaktionszeiten, die vom Menschen nicht mehr wahrnehmbar sind.

Das perfekte Duo: Digitalisierung und 5G

In der Fabrik der Zukunft sind das alles Voraussetzungen dafür, dass beispielsweise Werkstücke sich selbstständig die passenden Maschinen für die nächsten Bearbeitungsschritte suchen, die von autonom agierenden Werkstückträgern zur Bearbeitung transportiert werden. Damit diese Vision möglich wird, ist eine kontinuierliche Kommunikation aller Marktteilnehmer notwendig. 

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Die Steuerung einer Werkzeugmaschine zum Beispiel ist darauf angewiesen, dass Informationen mit einer klaren Zuverlässigkeit bei ihr ankommen – sonst leidet die Bearbeitungsqualität. Neue Befehle müssen verzögerungslos umgesetzt werden, was bisher kabelgebunden geschehen ist. Im Rahmen von Industrie 4.0 lässt sich eine flexible Produktion nur realisieren, wenn ein sicherer drahtloser Kommunikationsweg zur Verfügung steht. Da kommt die geplante Einführung des neuen Mobilfunkstandards 5G wie gerufen. In der breiten Öffentlichkeit steht 5G vor allem für hohe Datenübertragungsraten von bis zu 20 Gigabit pro Sekunde.

5G wird die dafür notwendigen Anforderungen auch bei sehr hoher Nutzer- und Gerätedichte sicherstellen. Darüber hinaus ermöglicht 5G die durchgängige Vernetzung von Wearables, Assistenzsystemen, Haushaltselektronik sowie einer Vielzahl von Sensoren und Aktoren im Internet der Dinge über konvergente Datennetze. Die unterschiedlichen Anforderungsprofile und teilweise nur temporären Nutzungsszenarien erfordern hierfür flexible Netze, die je nach Situation die erforderlichen Leistungsparameter kombiniert bereitstellt.

In der industriellen Fertigung wird der durchgängige Datenaustausch zwischen Maschinen, Anlagen, Mensch und Robotern zunehmend an Bedeutung gewinnen. Mit 5G lässt sich die Anzahl qualitätsgesicherter und energieeffizient verbundener Geräte oder Werkteile auf mehrere hunderttausend pro Basisstation steigern. Durch vom jeweiligen Anwender organisierte 5G-Netze in Fabrikumgebungen bietet 5G neben der Massenkonnektivität auch großes Potenzial für die bislang leitungsgebundene Anlagensteuerung. Mobile Steuerungssysteme von Industrierobotern lassen sich auf Basis von 5G-Technik in Echtzeit adressieren inklusive minimalen Fehlerwahrscheinlichkeiten. Damit wird die Vision von fahrerlosen Kurierdiensten just-in-time an den jeweiligen Be- und Entladestationen immer wahrscheinlicher. 

Auch ein datenintensiver Upload von 3D-Modellen zur Anlagensteuerung oder -testung kann mobil erfolgen. 5G stellt so eine zentrale Grundlage für eine durchgängige vertikale Vernetzung aller betrieblichen Prozesse wie Anlagen-, Ressourcen- und Warenausssteuerung dar. Diese Entwicklung bietet auch große Potentiale für umweltverträgliches Wirtschaften, insbesondere für Ressourceneffizienz und die Senkung von Emissionen.

Testfeldbeweise gefragt

Die besondere Herausforderung ist es laut DFKI, künftige 5G-Netze und andere gängige sowie neuartige industrielle Kommunikationsnetze zu integrieren, um die unterschiedlichsten industriellen Anwendungen zu unterstützen, etwa die Einbindung von Feldbussystemen. Sogenannte Testfeldapplikationen sind bei den Unternehmen in der Beweisführung, dass sich zum Beispiel über offene Schnittstellen die Netzwerkfunktionen durch Apps erweitern lassen. Weiterhin wird erstmals versucht, das Mobilfunknetz zur Weitbereichsabdeckung zu nutzen, statt wie bisher nur lokale drahtlose Sensornetze oder WLAN.

Da die 5G-Technik einen großen Teil der Daten in der digitalen Industrie transportiert, muss die Sicherheit der Daten gewährleistet sein. Um die neue 5G-Infrastruktur angemessen zu schützen, dürfen im Design Sicherheitsfunktionen zur Absicherung der Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit nicht fehlen.

Ein Kernaspekt der 5G-Infrastruktur gilt daher der robusten Auslegung, um gegen IT-Angriffe oder vor Ausfällen wirksam geschützt zu sein. Zugangs- und Zugriffskontrollen, verbunden mit starker Authentisierung, sind ein wichtiger Schlüssel für den Schutz der Infrastruktur. Mittels vertrauenswürdiger Public Key Infrastrukturen auf nationaler, europäischer und internationaler Ebene kann dieser Schutz erreicht werden. Die Sicherheit der übertragenen Informationen im 5G-Netz sollte durch die Verwendung von dem Stand der Technik entsprechenden Verschlüsselungstechnologien gewährleistet sein. In der Verantwortung steht hier das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI), um Informationssicherheit der zukünftigen 5G Netzinfrastrukturen und in den Anwendungsdomänen zu begleiten und zu fördern.

Kommerzielle Einsatzszenarien für 5G

Das 5G Lab Germany der Technischen Universität Dresden und Accenture arbeiten zukünftig bei der Entwicklung kommerzieller Einsatzszenarien für die neue Mobilfunkgeneration 5G zusammen. Damit wollen beide Organisationen zur schnelleren Verbreitung der Technologie beitragen und neue Geschäftsmöglichkeiten für Unternehmen erschließen.

Wie bereits bei früheren Mobilfunkgenerationen dient die Einführung des 5G-Standards vor allem höheren Übertragungsgeschwindigkeiten und geringeren Verzögerungszeiten im Netz. Mit der voraussichtlich ab 2020 breitflächig kommerziell verfügbaren Technologie sind die Mobilfunkanbieter zukünftig in der Lage, ihren Kunden eine noch bessere Nutzererfahrung zu ermöglichen.

5G ist eine heterogene ‘end-to-end’ Netzwerkumgebung, die so konzipiert ist, dass sie eine Vielzahl von Endgeräten unterstützt. Ihre Architektur basiert auf einer hybriden Hard- und Softwareinfrastruktur und nutzt technische Ansätze wie Network Function Virtualization (NFV) und Software-Defined Networking (SDN) als Grundlage für intelligente und automatisierte Prozesse. Weiterhin umfasst die Architektur Mobilfunk- wie auch Festnetzinfrastruktur; verschiedenste Endgeräte wie Smartphones, Wearables oder Maschinen sowie diverse Netzwerk- und Steuerungsfunktionen.

Dieser ganzheitliche Blick auf die 5G-Technologie bildet den thematischen Schwerpunkt des 5G Lab Germany, welcher dazu beitragen wird, die Leistungsfähigkeit von 5G-Mobilfunknetzen angesichts der immensen Anforderungen an die Konnektivität im Netz der Zukunft sicher zu stellen. Dabei spielen insbesondere die Entwicklungen bei Industrie 4.0, modernen Transportsystemen, Smart Grids, im Gesundheitswesen sowie in einer Vielzahl weiterer Branchen von der Landwirtschaft bis hin zum Bausektor eine treibende Rolle. In der Zusammenarbeit mit dem 5G Lab Germany wird Accenture sich vor allem auf die Entwicklung taktiler Internetapplikationen konzentrieren.

Das Ziel mit der 5G-Technologie ist klar formuliert: Initiativen wie 5G Lab Germany oder 5G ACIA ist es, eine starke Forschungs- und Industriegemeinschaft sowie ein Innovations-Ökosystem zu schaffen, in dem die Industrie, Wissenschaft, staatliche Stellen und andere Interessengruppen zusammenkommen und daran mitwirken können, neue Impulse zu setzen und gemeinsame Ressourcen zu nutzen, um die Vorzüge moderner IoT-Lösungen für unterschiedliche Anwendungen aufzuzeigen.