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1, 2, 3, 4, … 5G – die (R)Evolution der Mobilfunkstandards


Kaum ein Technologiethema hat in jüngster Vergangenheit so viel mediale Aufmerksamkeit erfahren wie die beginnende Einführung von 5G-Netzwerken. Die Erwartungshaltung an den neuen Standard für Funknetzwerke ist hoch – nicht nur beim privaten Anwender, sondern insbesondere in der Industrie. Was die 5G-Technologie für Unternehmen aus dem Bereich der Automatisierungstechnik so attraktiv macht und mit welchen Visionen sie sich der Thematik nähern, erklären Dr.-Ing. Christian Bauer, Lead Developer 5G beim Maschinenbauer TRUMPF, Dr. Werner Thoren, Technology Manager vom globalen Anbieter für Prozessautomatisierung Endress+Hauser sowie Benedikt Rauscher, Manager Globale IoT-Projekte beim Sensorikspezialisten Pepperl+Fuchs.

Wie erklären Sie sich das große öffentliche Interesse am Thema 5G-Netzwerke?
Benedikt Rauscher: Ich denke, hier kommen verschiedene Phänomene zusammen. Wir leben im Zeitalter der Digitalisierung und des Internets der Dinge. Themenkomplexe, die mit diesem Megatrend verknüpft sind, erfahren beinahe automatisch eine rege Verbreitung in den Medien. Unternehmen und Privatanwender erwarten ständig Neuerungen und Weiterentwicklungen.
Dr. Werner Thoren: Smartphones und mobile Endgeräte gehören heute zum Standard, um zu jedem Zeitpunkt von jedem Ort aus auf Angebote, Informationen oder Dienste zum Beispiel zur Navigation zuzugreifen – wer liest denn heute noch eine Landkarte oder einen Stadtplan (lacht)? Nicht zu vergessen ist auch die soziale Kontaktpflege über jegliche Distanz. 5G verspricht hier eine neue Leistungsfähigkeit und Verfügbarkeit.
Dr. Christian Bauer: Hinzu kommt, dass gerade im deutschen Markt die Versteigerung der Frequenzen an die Telekommunikationsunternehmen und die dort erzielten Preise großflächig medial begleitet wurden. Wer in der Tageszeitung liest, dass gerade ein regelrechtes Wettbieten mit Milliardenbeträgen stattfindet, entwickelt natürlich ein begründetes Interesse und fragt sich: „Was ist dabei für mich als Endanwender drin, warum werden hier solche Summen investiert?“

Welche Erwartungen dürfen private Anwender denn haben?
Dr. Werner Thoren: Der häufigste Wunsch dürfte der nach einer höheren Datenrate sein. 5G kann im Download Übertragungsraten von bis zu 20 Gbit/s erreichen. Dadurch eröffnen sich beim Media-Streaming und der virtuellen, erweiterten Realität ganz neue Möglichkeiten und das auch an Hot-Spots mit vielen Nutzern gleichzeitig.
Dr. Christian Bauer: 5G gliedert sich in drei sogenannte „Service Modes“, anhand derer sich die Vorteile der neuen Technologie sehr gut erklären lassen. Die eben angesprochenen extrem hohen Datenübertragungsraten fallen unter den Begriff „eMBB“ – kurz für „enhanced Mobile Broadband“. Die Effekte der beiden anderen Service Modes, uRLLC und mMTC, sind für den Endanwender vielleicht nicht so direkt erlebbar wie eMBB, werden seinen Alltag aber mittelbar ebenfalls beeinflussen.
Benedikt Rauscher: „uRLLC“ bzw. „Ultra Reliable Low Latency Communication“ beschreibt die Hochverfügbarkeit von 5G, die gerade für sicherheitskritische Anwendungen im Bereich der Prozessindustrie relevant ist. „mMTC“ bezeichnet hingegen die sogenannte „massive Machine Type Communication“, also die feinmaschige Kommunikation von Maschinen bzw. deren Komponenten über enorm viele Verbindungen auf engem Raum – etwa im Gefüge einer hochautomatisierten Fabrik. Der Endanwender kommt bei diesen beiden Service Modes also eher mit den industriellen Erzeugnissen als mit dem Mobilfunkstandard 5G in Kontakt.

Wie ist dieser starke Fokus auf die Industrie historisch einzuordnen? Bruch oder logische Entwicklung?
Dr. Werner Thoren: Betrachtet man die Entwicklung der Mobilfunkstandards seit Anfang der 80er-Jahre, stellt man fest, dass wir jetzt den nächsten Schritt einer Evolution in einer zunehmend digitalisierten Welt sehen: 1G-Netzwerke dienten ausschließlich der analogen Sprachübertragung, 2G konnte zusätzlich bereits SMS und MMS übertragen. Mit 3G kamen Videoübertragung und das mobile Internet hinzu, 4G ergänzte dies um Echtzeit-Audio und HDTV. 5G bietet die Erweiterungen, die die Digitalisierung in der Industrie vorantreiben werden.
Dr. Christian Bauer: Die genannten Standards vernetzten die Menschen. 5G hingegen wird erstmals die Maschinen im großen Umfang miteinander vernetzen – im Auftrag des Menschen. Das Stichwort hier lautet M2M, also „Machine to Machine Communication“. Die Einführung von 5G kann also auch als ein revolutionärer Schritt in der Evolution der Funknetzwerke im industriellen Umfeld betrachtet werden. Es handelt sich dabei insbesondere in diesem Kontext mehr um einen Kommunikations- als einen bloßen Mobilfunkstandard.
Benedikt Rauscher: Die aktuell gängigen Mobilfunkstandards sind für Industrieanwendungen nur mittelfristig eine Lösung. Das häufig verwendete GSM verbraucht beispielsweise beim Herstellen der Verbindung mehr Energie als beim Senden der eigentlichen Daten. Das zieht besondere Herausforderungen für die Stromversorgung eines batteriebetriebenen Sensors nach sich. Mit 5G werden wir bei Pepperl+Fuchs künftig einen ganz anderen Spielraum haben, funkbasierte Sensorlösungen zu entwickeln, die mit geringen Zykluszeiten Daten via Mobilfunknetzwerk übertragen.

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Die bisherigen Standards vernetzten die Menschen. 5G hingegen wird erstmals die Maschinen im großen Umfang miteinander vernetzen – im Auftrag des Menschen.

Dr.-Ing. Christian Bauer, Lead Developer 5G bei TRUMPF

Ist diese Entwicklung Richtung Industrieanwendung ein Selbstläufer?
Benedikt Rauscher: Dass sich 5G in diese Richtung entwickelt hat, ist kein Zufall, sondern das Ergebnis des erfolgreichen Zusammenschlusses vieler Parteien. Wie kein Mobilfunkstandard zuvor wird 5G durch die Anforderungen von Unternehmen aus dem Bereich Operation Technology (OT) geprägt, zu denen ja auch TRUMPF, Endress+Hauser und Pepperl+Fuchs zählen.
Dr. Christian Bauer: In der Vergangenheit musste die MSR-Technik auf die spezifischen Eigenarten des jeweiligen Mobilfunkstandards hin angepasst werden bzw. war grundsätzlich kabelgebunden. Nur so war eine durchgängige Kommunikation möglich. Bei 5G wandelt sich dieses Verhältnis. Beide Seiten, also die OT-Hersteller, und die Informations- und Kommunikationstechnikbranche (ICT), zu der Chip-Hersteller und Netzwerkanbieter wie Intel, Qualcomm, Telekom oder Vodafone gehören, stimmen sich seit Beginn der Entwicklung sehr eng miteinander ab. Nur ein möglichst harmonisierter Standard nutzt auch allen Anwendern.
Dr. Werner Thoren: Aus unserer Sicht ist es kein Selbstläufer, da aus der Industrie zum Beispiel deutlich höhere Anforderungen an Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Netze gestellt werden. Hierzu ist ein Dialog zwischen Vertretern der operativen Technologien und der Informations- und Telekommunikationstechnologien notwendig, um zu gemeinsamen Lösungen zu kommen. Dieser Dialog findet maßgeblich in der 5G Alliance for Connected Industries and Automation statt, kurz 5G-ACIA. Sie ist die Erweiterung einer bereits 2017 im ZVEI gegründeten Task Force zum Thema 5G und vereint Schlüsselspieler aus beiden Industrien, aber auch Mitglieder aus der Hochschullandschaft und anderen Verbänden. Die 5G-ACIA sieht sich als eine Ergänzung zu den bereits existierenden Standardisierungsgremien und Verbänden, wie der 3GPP und der NGMN Alliance, und bringt sich dort entsprechend im Interesse eines industriell ausgerichteten 5G-Standards ein.

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Mit 5G werden wir bei Pepperl+Fuchs künftig einen ganz anderen Spielraum haben, funkbasierte Sensorlösungen zu entwickeln, die mit geringen Zykluszeiten Daten via Mobilfunknetzwerk übertragen.

Benedikt Rauscher, Manager Globale IoT-Projekte bei Pepperl+Fuchs

Mit welcher Zielsetzung engagiert sich Ihr jeweiliges Unternehmen?
Benedikt Rauscher: Für Pepperl+Fuchs ist das Thema aus mehreren Perspektiven interessant. Zunächst sehen wir uns als ein innovatives und neugieriges Unternehmen – das ist Teil unserer „DNA“. Wir gestalten die Zukunft von Industrie 4.0 aktiv durch unsere Arbeit in diversen Verbänden mit und sind von Beginn an dabei, wenn neue Standards definiert werden. IO-Link, ASi 5 oder der Advanced Physical Layer (APL) sind zum Beispiel Themen, bei denen wir ebenfalls intensiv involviert sind. Gleichzeitig sehen wir natürlich neue Umsatzpotenziale, die durch den massiven Einsatz von verteilter 5G-gestützter Funksensorik erschlossen werden können. Hierdurch wird ein umfassendes Abbild der physikalischen Welt und damit für unsere Kunden eine bessere Planung und Steuerung der verschiedensten Produktionsabläufe möglich. Ich würde also von einer gesunden Mischung aus Forscher- und Unternehmergeist sprechen (lacht).
Dr. Werner Thoren: Als die „People for Process Automation” haben wir ständig ein Ohr bei unseren Kunden, um zu erkennen, was ihnen heute und in Zukunft helfen wird, ihre Produktion zu optimieren, die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen und den sicheren Betrieb der Anlagen zu gewährleisten. Hier zeichnet sich ein Trend zu mehr Sensorik und vermehrter Nutzung bereits vorhandener Daten ab, was auch von der NAMUR, einer bedeutende Nutzerorganisation der Prozessindustrie, mit der NAMUR Open Architecture vorangetrieben wird. Insbesondere die nicht-öffentlichen 5G-Netzwerke mit definierter „Quality of Service“ bieten die erforderliche Flexibilität und Zuverlässigkeit hierfür in den oft weit verteilten Anlagen unserer Kunden. Unser Ziel ist es, zusammen mit unseren Kunden das Potenzial der Technologie auszuschöpfen und für eine geeignete Standardisierung zu sorgen.
Dr. Christian Bauer: TRUMPF war bereits von Beginn an bei Themen wie der vernetzten Produktion oder Industrie 4.0 aktiv involviert. Also ist es nur logisch, auch die entsprechenden Technologien, welche diesen Wandel in der Produktion erlauben, früh zu begleiten und mitzugestalten. 5G bietet hier das große Potenzial, die entscheidende Enabler-Technologie für die Datenkommunikation in der Produktion zu sein und die sich bietenden Mehrwerte sind sehr vielfältig – sei es Komplexitätsreduktion von bestehenden Lösungen, Retrofitting von Brownfield- Umgebungen oder auch die Entwicklung ganz neuer Anwendungen mit deutlich gesteigerter Flexibilität aufgrund der schnellen drahtlosen Kommunikation. Um in diesem Umfeld Erfolg zu haben, muss 5G aber den Anforderungen einer industriellen Datenkommunikation genügen. Aus diesem Grund ist TRUMPF, genau wie Endress+Hauser und Pepperl+Fuchs, Mitglied der 5G-ACIA, um dort in enger Abstimmung mit weltweit führenden ICT-Unternehmen den Standard 5G im Sinne der industriellen Anforderungen mitzugestalten.

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Unser Ziel ist es, zusammen mit unseren Kunden das Potenzial der Technologie auszuschöpfen und für eine geeignete Standardisierung zu sorgen.

Dr. Werner Thoren, Technology Manager bei Endress+Hauser

Gibt es bereits Entwicklungspläne oder Anwendungsszenarien in Ihren Unternehmen?
Dr. Werner Thoren: Von Beginn der digitalen Kommunikation an lassen sich die Endress+Hauser Feldgeräte durch die Unterstützung offener Standards nahtlos in die Systeme unserer Kunden integrieren. Auch bei der drahtlosen Kommunikation waren wir mit WirelessHART®-Produkten zusammen mit Pepperl+Fuchs einer der ersten Anbieter im Markt. Für die Bedienung und Parametrisierung von Feldgeräten, aber auch zum Auslesen von Daten mit mobilen Geräten, nutzen wir heute Bluetooth®. Tradition hat auch die Mobilfunkkommunikation im Bereich verteilter Messstellen in der Logistik und in Versorgungsnetzwerken. Neu ist hier ein einfaches, autonomes Füllstandmessgerät, das sich über den Standard NB-IoT per Knopfdruck in die Endress+Hauser Cloud-Lösung „Netilion“ integriert und Informationen liefert – eine echte IIoT-Lösung, getrieben von Kundenanwendungen. Mit 5G werden wir in Zukunft mehr solcher Anwendungen noch besser bedienen können.
Dr. Christian Bauer: Die Standardisierung von 5G ist ein längerer Prozess, bei dem durch die 3GPP (die Standardisierungsorganisation für Mobilfunk) in mehreren Release-Zyklen jeweils einzelne Aspekte des neuen Standards spezifiziert werden. Wir bei TRUMPF verfolgen diese Thematik natürlich genau, gestalten in der 5G-ACIA aktiv mit und sind auch bereits heute in verschiedenen Forschungs- und Förderprojekten zur Thematik engagiert. Wichtig ist hier für uns vor allem, früh das notwendige Wissen aufzubauen, um bei Verfügbarkeit entsprechender Technologien und Hardware diese direkt nutzen zu können.
Benedikt Rauscher: Wie ich vorhin schon anklingen ließ, beschäftigen wir uns bei Pepperl+Fuchs seit längerer Zeit mit funkbasierter Sensorik. Dazu zählen zum Beispiel batteriebetriebene Ultraschallsensoren, die Füllstände über Funktechnologien übertragen. Mit 5G liegt hier für die Zukunft noch eine Menge an Potenzial, das wir erschließen können. Auch im Geschäftsbereich Prozessautomation verfolgt man die Entwicklung von 5G sehr aufmerksam. Wir bieten schon heute ein umfassendes Portfolio industrietauglicher und explosionsgeschützter Mobilgeräte. Dank der Datenübertragungsraten von 5G könnte der Service-Techniker im Feld Wartungsanweisungen zu einer Komponente zukünftig ultrahochaufgelöst und verzögerungsarm in einer Augmented-Reality-App auf seinem Ex-Smartphone einsehen. Zudem erwägen wir gerade, uns am Stammsitz in Mannheim einen eigenen Frequenzbereich einzurichten, um noch tiefer in die Materie vorzudringen und neue Applikationsszenarien erproben zu können.