Deutschland will mit der Vergabe lokaler 5G-Frequenzen den Industrieunternehmen die Möglichkeit geben, durch den Betrieb eigener Campusnetze eine besonders hohe Agilität und Flexibilität zu erreichen und damit einen weltweit führenden Produktionsvorteil zu erzielen. Was ist das Besondere am neuen Mobilfunkstandard 5G? CHEManager befragte dazu Michael Weyrich, den Leiter des Instituts für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme (IAS) an der Universität Stuttgart. Die Fragen stellte Volker Oestreich.

CHEManager: Was macht 5G für Anwendungen in der industriellen Automatisierungstechnik so besonders interessant?

Michael Weyrich: Der Mobilfunkstandard 5G bietet vielschichtige Möglichkeiten und Chancen für eine neue Form der drahtlosen Kommunikation in allen Bereichen: vom Consumer-Bereich über die Medizintechnik bis hin zu vielen verschiedenen Applikationen in Automatisierungstechnik und Industrie. Drei für 5G vorgesehene Frequenzspektren erlauben unterschiedliche Anwendungen der mobilen Kommunikation, die auch für die Automatisierungstechnik von Bedeutung sind.

Die großen Telekommunikationsunternehmen werden schon bald neue Angebote für 5G in den Frequenzbereichen 2 GHz und 3,4 bis 3,7 GHz entwickeln. Zudem ist damit zu rechnen, dass sie nicht nur Kommunikationsdienste anbieten sondern auch die Gelegenheit nutzen werden, um damit verbundene Angebote wie „Dinge-Gateways“, spezielle „Device Clouds“ oder ganze Plattformen zum Informations- und Datenmanagement anzubieten.

Was genau ändert sich mit 5G im Vergleich zum Vorgängernetz LTE, so dass sogar von einem Paradigmenwechsel gesprochen wird?

M. Weyrich: Seit der Verabschiedung des 5G-Standards im Standardisierungsgremium „3GPP“ Mitte 2018 liegt eine vollständige Spezifikation vor, die Ordnung in das Kreuzfeuer der unterschiedlichen Anforderungen gebracht hat. Die 5G-Technologie verspricht eine höhere Effizienz neuartiger technischer Eigenschaften, die das 5G-Netz zukünftig für Industrieanwendungen einsetzbar machen. Diese Verbesserungen standen auf Basis von LTE (4G) und 3G nicht zur Verfügung. Mit 5G lassen sich sehr breitbandige Netze mit hohen Datenraten genauso realisieren wie sehr schnelle Netze mit Fokus auf extrem kurze Antwortzeiten (Latenz) oder hohe Zuverlässigkeit. Im Gegensatz zur aktuellen 4G-Netzinfrastruktur LTE lassen sich unterschiedliche Anforderungen und Leistungsprofile realisieren, d. h. es werden unterschiedliche Flächenabdeckung und Gebiete zur Verfügung stehen. Je nach Nutzung kann die Infrastruktur anforderungsgerecht mit 5G-Netzen konfiguriert werden, z. B. im Bereich Industrie 4.0 oder in vernetzten und automatisierten Fahrzeugen.

Insbesondere verspricht 5G die Integration individueller Spezialnetze, die zwar auf einer gemeinsamen physischen Infrastruktur betrieben werden, aber jeweils den unterschiedlichen Anforderungen angepasst werden können. So lassen sich drei Grundtypen unterscheiden:

- Ultraschnelles mobiles Breitband mit Datenübertragungsraten, die im Bereich von bis zu 10 GB/s liegen können

- Sehr zuverlässige Kommunikation für Echtzeit-Anwendungen wie das autonome Fahren mit kurzen Antwortzeiten im Bereich von einer Millisekunde

- Datenkommunikation mit vielen Teilnehmern, z. B. zwischen Maschinen oder Geräten (sog. M2M), um ein Internet der Dinge mit großer räumlicher Verbreitung verbinden können.

Je nach Anforderung können die Datenmengen klein sein, aber viele Teilnehmer verbinden oder auch große Bandbreiten mit weniger Teilnehmern erlauben. Entsprechend lassen sich auch die Anforderungen an Übertragungsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit unter Verzicht auf andere Eigenschaften anpassen. Die Architektur des Netzes der fünften Mobilfunkgeneration richtet sich somit zukünftig stark nach den Anforderungen der Anwender und den speziellen Gegebenheiten aus.

Welche technischen Neuerungen stehen bei 5G konkret zur Verfügung?

M. Weyrich: Da gibt es einige: Mithilfe des sogenannten Network Slicing lässt sich eine zugesicherte Datenkapazität oder eine bestimmte Reaktionszeit realisieren. Ein Netzwerkbetreiber kann gemeinsam physikalische Infrastrukturen mehrerer virtueller Netze unterschiedlicher Eigenschaften verwalten und betreiben.

Das Beamforming erlaubt eine präzise Ausrichtung der Signale in Richtung der Geräte, sodass sich der Energiebedarf im Sender deutlich verringert und es zudem zu weniger Störungen kommt. Zudem können Daten gleichzeitig an mehrere mobile Geräte im gleichen Frequenzbereich, aber an unterschiedlichen Standorten übertragen werden. Aufgrund dieser Strahlfokussierung kommt es zu geringeren Streuungen, die zudem die Effizienz der Übertragung erhöhen.

Auch ist zukünftig der Einsatz sogenannter Small Cells möglich, die ein klassisches Mobilfunknetz verdichten können und quasi als Hotspots in Bereichen mit hoher Nachfrage zusätzliche Kapazität bereitstellen. So lassen sich höhere Nutzerdichten ermöglichen. Dadurch wird zudem die notwendige Sendeleistung verringert, sodass die Akkus mobile Endgeräte weniger belastet werden.

Durch den Einsatz von Mehrfachantennensystemen (Massive Multiple Input Multiple Output – Massive MIMO) können sowohl die Datenraten als auch die Zuverlässigkeit der Übertragung erhöht werden.

Da eine Reihe von Schwächen der alten Technologien überwunden werden konnte, versprechen diese Methoden viele neue Anwendungen in der horizontalen und vertikalen Vernetzung in den Industrie-4.0-Anwendungen der Zukunft.

Wie weit ist die Umsetzung von 5G fortgeschritten?

M. Weyrich: Die Netzwerkbetreiber bereiten sich derzeit intensiv auf den Aufbau der Infrastruktur vor. Nach Erstellung der Regulierungsvorgaben durch die Politik gibt es heute bereits eine ganze Reihe von Pilotprojekten, die die Praxiseinführung in unterschiedlichen Anwendungsfällen untersuchen. Es haben sich bereits Pilot-Konsortien formiert, die unterschiedliche Anwendungen von 5G in Berlin, Hamburg, München und Düsseldorf erproben.

Von den Telekommunikationsunternehmen wurden bereits neuartige Produkte für die diversen Anwendungsfelder von 5G angekündigt: Neben der eigentlichen Kommunikation wird 5G in Verbindung mit Technologien der Cloud und der Auswertung (Analytics) gebracht werden. Zahlreiche weitere Projekte sind schon auf dem Weg, die sich mit dem industriellen Einsatz von 5G in der Anwendung befassen und die die unterschiedlichen Systemkomponenten dafür entwickeln oder erproben.

In Pilotprojekten geht es um 5G-Funk- und -Netzwerktechniken in der Produktion, z.B. darum, wie man mit 5G Fertigungskomponenten schnell und dynamisch an verschiedene Anforderungen anpassen kann oder wie sich Prozesse flexibel gestalten lassen. Auch wird untersucht, wie 5G zum schnellen Aufbau engmaschiger Sensornetzwerke eingesetzt werden kann, um eine detaillierte Zustandsüberwachung von Automatisierungsanlagen zu bewirken, die die Reparaturkosten durch vorausschauende Wartung senken.

Dann kann es also ab sofort losgehen mit 5G in der Industrie?

M. Weyrich: 5G befindet sich im Roll-out. Im Juni 2019 wurden die Frequenzen in den Bereichen 2 GHz und 3,6 GHz versteigert und die Anbieter haben den Betrieb zwischenzeitlich gestartet. Allerdings ist Vergabe der Frequenzbänder noch nicht abgeschlossen. So hat die Bundesnetzagentur erst Ende 2018 ihre Anhörung zur Nutzung und Vergabe der Frequenzbänder im Bereich 26 GHz abgeschlossen. Aufgrund der massiven Unterstützung von Verbänden wie dem Verband der Chemischen Industrie (VCI), dem Verband der Automobilindustrie (VDA), dem Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) und dem Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) zusammen mit wichtigen Industrieunternehmen soll das 26-GHz-Band für Industrie-4.0-Anwendungen eingesetzt werden können. Die Verbände führen aus, dass hohe Bandbreiten und eine genaue Lokalisierung in diesem Band insbesondere für Industrie 4.0 erforderlich seien, da dieses Spektrum eine hohe Leistung, eine hohe Benutzerdichte und eine präzise Gerätelokalisierung ermöglicht. Darüber hinaus biete es eine wesentliche Verbesserung der Sicherheit und des Datenschutzes. Beispiele seien CoBots (Collaborative Robots) oder andere sicherheitsrelevante Funktionen im Zusammenspiel von Mensch und Maschine, die nur in diesem Band möglich sind. Ein flächendeckender Betrieb innerhalb von Fabriken rein über das 26-GHz-Band sei allerdings wirtschaftlich nicht sinnvoll, da die Ausbreitung von Funkwellen durch Gebäude und über die Ausdehnung einer ganzen Fabrik nicht bzw. nur mit einem sehr dichten Netz von Basisstationen möglich wäre. Daher seien die niedrigeren Frequenzbänder wie das zusätzliche 3,7- bis 3,8-GHz-Band in Verbindung mit Frequenzen im 26-GHz-Band notwendig, um sämtliche Industrie-4.0-Anwendungsfälle abzudecken.

Wie beeinflusst 5G die Automatisierungstechnik besonders auch in der Prozessindustrie?

M. Weyrich: Die Verfügbarkeit des 5G-Standards und die Versteigerung der Frequenzbänder markieren die Stunde null für die Automatisierungstechnik. Es kann losgehen! Allerdings wird der Rollout von 5G nur schrittweise erfolgen und einige Jahre erfordern. Parallel entstehen derzeit die zuvor genannten Pilotprojekte, die zunächst die Kommunikation und auch Infrastrukturlösungen mit einbeziehen. Die Verfügbarkeit neuer Chipsätze wird schon bald erste Prototypen von neuartigen Automatisierungsprodukten erlauben.

Somit ist es jetzt an der Zeit, sich über zukunftsweisende Automatisierungssysteme auf Basis von 5G Gedanken zu machen, um bei einer Verfügbarkeit der 5G-Infrastruktur in der Breite mit dabei zu sein und entsprechende Automatisierungslösungen am Start zu haben. Entwickler von Automatisierungssystemen und deren Komponenten sind daher heute gefordert, sich neue Produkte zu überlegen!

Aus Anwenderperspektive wird es vermutlich noch eine Weile dauern, bis professionelle Produkte tatsächlich in der Masse zur Verfügung stehen. Insbesondere in der Prozessindustrie mit räumlich weitläufig verteilten Anlagen ist 5G besonders interessant. Vergleicht man die 5G-Einführung mit der von LTE, so steht ein Zeitraum von etwa fünf Jahren – etwa bis 2025 – im Raum, bis serienreife Produkte für 5G in größeren Zahlen tatsächlich zum Einsatz kommen. Es wird noch vieler Tests und Entwicklungen bedürfen, bis die Serienreife und kosteneffiziente Produkte verfügbar sind.

Es sind ja bereits seit etlichen Jahren verschiedene Wireless-Technologien in der Prozessautomation im Einsatz. Kommt mit 5G jetzt ein weiterer Standard dazu?

M. Weyrich: Es ist davon auszugehen, dass die 5G-Technologie einen Meilenstein bei der Standardisierung mobiler Dienste setzt. 5G hat erstmals das Potenzial, die zahlreichen Wireless-Feldbussysteme abzulösen und so einen einheitlichen Standard bereitzustellen, der die vielschichtigen Produktlösungen zukünftig weitgehend ersetzen könnte. Natürlich gibt es in der Automatisierungstechnik sehr viele, sehr unterschiedliche Spezialanforderungen, die heute unterschiedliche Kommunikationssysteme zum Einsatz kommen lassen. Stehen jedoch erst einmal die 5G-Infrastruktur, Cloud-Lösungen, Chipsätze etc. in der Breite zur Verfügung, dann wird es leicht, effizient und kostengünstig sein, darauf aufzubauen. Viele heute gängige Lösungen werden sich dann erübrigen.

Für die Automatisierungstechnik ist somit an der Zeit, sich intensiver Gedanken über anwendungsbezogene Pilotprojekte zu machen. Die vielen Fragen der Automatisierungsindustrie – was auf Basis von 5G konzipiert, realisiert und erprobt werden sollte – sollten sehr bald beantwortet werden.

ZUR PERSON
Michael Weyrich ist seit 2013 Leiter des Instituts für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme an der Universität Stuttgart. Er forscht und lehrt im Bereich der Informationstechnologie für die Automatisierungstechnik, insbesondere an intelligenten Automatisierungskomponenten und der Verlässlichkeit von Autonomen Systemen. Zudem ist er Vorstand und Beiratsmitglied der Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik des VDI / VDE und in zahlreichen nationalen und internationalen Gremien aktiv. Er studierte an Hochschulen in Saarbrücken, Bochum sowie London und promovierte an der RWTH in Aachen. Vor seiner Berufung an die Universität war er 10 Jahre in der Großindustrie tätig, davon 4 Jahre im Ausland.

Stellungnahme des ZVEI zu 5G
Gunther Koschnick, Geschäftsführer ZVEI-Fachverband Automation: „Der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) hat sich für den Aufbau lokaler Netze eingesetzt. Denn mit eigenen Frequenzen können Unternehmen ihre eigene, maßgeschneiderte lokale Campus-Lösung schaffen. So erhalten sie Datenhoheit, können unabhängig von den Netzbetreibern agieren und Industrie-4.0-Anwendungen umsetzen. Einziges Manko: Die Vergabebedingungen, insbesondere die Gebühren für die lokalen Frequenzen, sind immer noch nicht geklärt.
Über die Frequenzgebührenverordnung muss nun zeitnah eine Entscheidung fallen, denn Deutschland droht sonst seine Vorreiterrolle bei 5G in der Industrie zu verlieren - Großbritannien wird beispielsweise bis Ende des Jahres Frequenzen zur Verfügung stellen. Wichtig ist, dass die Politik versteht, dass die lokalen Frequenzen für die Industrie kein Geschäftsmodell – wie bei den Telekommunikationsunternehmen – sind, sondern notwendige Betriebsmittel. “

Gunther Koschnick, Geschäftsführer ZVEI-Fachverband Automation