5G-Standard in der Industrie: Dynamisch und intelligent navigieren

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Als Weiterentwicklung von LTE und seinen Subsets „Narrow-Band IoT“ und „LTE-M“, die für IoT-Anwendungen optimale Voraussetzungen schaffen, ist die 5G-Standardisierung insbesondere durch Arbeitsgruppen der Industrie definiert worden, um die Anforderungen im industriellen Umfeld besser bedienen zu können. Die Automobilindustrie führt als eine der ersten die Technologie auch in ihren Produkten ein.

Das in Deutschland als „Industriespektrum“ bekannte Band von 3.700-3.800 MHz wurde von der Regulierungsbehörde ausgewiesen, aus dem Unternehmen nun für ihre eigenen Zwecke, meist geographisch begrenzt auf das eigene Werksgelände, dieses Spektrum anteilig oder vollumfänglich für eine Laufzeit von einigen Jahren auf einfache Weise und zu finanziell attraktiven Konditionen beantragen und zugeteilt bekommen können. Auf dem Spektrum kann wahlweise LTE und/oder der 5G-Standard betrieben werden.

Der Vorteil der Campusnetze

Diese sogenannten Campusnetze haben im Vergleich zur industriellen WiFi-Kommunikation einen großen Vorteil: Die Bundesnetzagentur stellt der Industrie ein dezidiertes Spektrum für 4G/5G zur Verfügung, während sämtliche Varianten von WiFi, auch die von WiFi6 oder WiFi6E, in nicht lizensiertem Spektrum operieren, also im Prinzip jedes Objekt die Kanäle und Spektren vor Ort nutzen kann – Besuchergruppen wie Lieferanten können so potenziell den Betrieb stören oder gar lahmlegen. Im Mobilfunknetz kann dies durch die Lizensierung des Spektrums ausgeschlossen werden. Es kann sich also kein Teilnehmer in das Netz einloggen, wenn sein Equipment und seine Identität nicht registriert sind.

5G-Standard in der Autoindustrie: Beispiel AVP

Derzeit sind viele Industriesektoren in der Einführungsphase und erproben bzw. implementieren 5G in ersten Anwendungen. Ein Beispiel dafür ist die Automobilindustrie, die als eine der ersten die Technologie auch in ihren Produkten einführen wird. 5G wird im vernetzten Fahrzeug sowohl in der für Insassen relevanten Kommunikation wie auch mit herstellereigenen Kommunikation zum Einsatz gebracht. Einer der 5G-basierten Anwendungsfälle ist fahrerloses Fahren und Parken (engl. Automated Valet Parking, AVP). Damit können Fahrzeuge nach der letzten Qualitätsprüfung von der Produktionshalle autonom auf den Verladeparkplatz fahren und dort dichter geparkt werden, da keine Türen mehr zum Ein- und Aussteigen geöffnet werden müssen. Unterwegs können sie zugleich noch ein finales Software-Update vor Auslieferung zum Kunden herunterladen. Hierzu werden auch keine Fahrer mehr benötigt.

Damit kann also auch ein Subscription-Management einhergehen: Der Übergang von einer „privaten“ Identität des Fahrzeugs im Werksnetz hin zu einer im öffentlichen Netz muss initiiert werden. Doch auch in der Fabrik spielt die Fahrzeugkonnektivität bereits eine gewissen Rolle: Das Aufspielen der Basisdaten für den Minimalbetrieb kann über die Transmission Control Unit früher erfolgen, wenn alle über den Kabelbaum angeschlossenen Komponenten bereits verbaut sind.

Die AVP-Technologie ist auch für andere bewegliche Objekte wie fahrerlose Transportsysteme (FTS) geeignet. Mit 5G-Vernetzung und der Cloud reicht es in Zukunft, ein FTS mit Batterie, Sensorik und einer Anbindung an den 5G-Standard auszurüsten. So kann die heute relativ statische Navigation in Zukunft dynamisch und intelligent ablaufen. Hindernisse können in einer Schwarm-Intelligenz ermittelt und ans Backend rückgemeldet werden, um neue Routen zu berechnen. Software-Updates und weitere Funktionen können aus der Cloud zeitgleich an alle FTS übermittelt, und die Kosten pro Fahrzeug deutlich reduziert werden. Letztendlich ist auch denkbar, dass in die FTS genau die Komponenten des Fahrzeugs eingebaut sind, das es selbst transportiert: Das FTS selbst wird AVP-fähig.

Insgesamt können eine Reihe von Intralogistik-Anwendungen mit dem Einsatz von 5G als Kommunikationsmittel umgesetzt werden. Ermöglicht werden sie durch drei spezielle Eigenschaften von 5G-Netzen: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), mMTC (Massive Machine-Type Communications) und URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications).

Enhanced Mobile Broadband

eMBB war bereits in LTE definiert und implementiert und kommt in Anwendungsfällen zum Einsatz, die hohe Datenübertragungsraten benötigen, wie beispielsweise das Streaming von hochauflösenden Kamerabildern, Augmented Reality (AR) oder Virtual Reality (VR).

Kamerabilder können beispielsweise zur Objekterkennung und -identifizierung verwendet, zur Qualitätssicherung vor Einbau von Teilen herangezogen werden, und helfen grundsätzlich bei der Überwachung kritischer Infrastruktur auf dem Gelände. Auch AR und VR spielt in der Qualitätssicherung eine immer größere Rolle. Die Überprüfung verbauter Komponenten bei Abruf einer Fehlerdiagnostik-Routine erlaubt es, nicht nur die Fehlermeldung zu erhalten, sondern auch Lage und Anschluss des defekten Teils anzuzeigen, verbunden mit einer Arbeitsanweisung für den Austausch.

Bei Nutzung der gleichen physischen Netzinfrastruktur können per Network Slicing verschiedene virtuelle Netze bereitgestellt werden, die dann je nach Anwendungsfall spezifische Funktionen und Leistungsmerkmale beinhalten. Diese softwarebasierte Technologie kann beispielsweise eine Priorisierung bestimmter Dienste ermöglichen, die andere Anforderungen an Reichweite, Übertragungsrate, Latenz und Verfügbarkeit haben.

Massive Machine-Type Communications

mMTC spielt eine Rolle, wenn es um kosteneffiziente und robuste Kommunikation mit und zwischen Geräten mit hoher Einsatzdichte und zugleich geringer Bandbreite geht. Die theoretischen Werte sehen bis zu einer Million vernetzter Geräte pro Quadratkilometer, und eine tiefere Eindringung in Gebäude. Damit können breitflächig Sensorik und andere Mess- und Regeltechnik vernetzt werden, insbesondere wenn diese an schwer zugänglichen oder mobilen Einsatzorten verwendet wird.

5G-Standard: Echtzeit-Kommunikation und URLLC

Das Industrial Ethernet, Nachfolger der klassischen Feldbusse, ist auf Determinismus ausgelegt: Datenpakete müssen zu bestimmten Zeiten gesendet und empfangen werden können. Profinet, Modbus TCP, Ethernet/IP, EtherCAT, PowerLink etc. werden daher über 5G transportiert; Profinet-Telegramme über IP getunnelt.

Mit der Echtzeitfähigkeit vom 5G-Standard werden Anwendungsfälle wie Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ohne trennende Schutzeinrichtungen möglich. Durch Sicherheitstrittmatten, Licht- und Laservorhänge und andere Sensorik kann so ein Impuls übermittelt werden, um sicherheitsüberwachte Stopps einzuleiten und dadurch Schaden von Mensch und Maschine abzuwenden. In 5G wird diese Funktionalität über URLLC realisiert: Ultra-Reliable Low Latency Communications ist für minimale Latenzzeiten zwischen 10 und bis zu einer Millisekunde vorgesehen und ideal geeignet für Anwendungsfälle, die auf eine robuste und ausfallsichere Kommunikation angewiesen sind.

Von Stephan Joest.

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