5G im IIoT – Eine neue Stufe des digitalen Interaktionsraums

Als direkter Nachfolger von 4G bezeichnet 5G die fünfte Mobilfunkgeneration. Verbraucherinnen und Verbraucher können von einem deutlich schnelleren Mobilfunknetz und einer wachsenden Zahl vernetzter Geräte im Alltag profitieren. 5G ausschließlich im Mobilfunkkontext zu verstehen, greift viel zu kurz. Durch seine breite Konnektivität spielt 5G vor allem in der Industrie 4.0 und im Industrial Internet of Things (IIoT) eine wichtige Rolle – Smartphones sind hier nur noch ein Akteur unter vielen. So zielt die 5G-Netzwerktechnologie insbesondere auf die Kommunikationsfähigkeit von Dingen ab und setzt sich im Industrie- und Dienstleistungsbereich in Form von Campus-Netzen sowie im breiten Ausbau immer weiter durch. Dank geringer Latenzzeiten und hoher Bandbreite wird sich die Technologie auch in anderen Bereichen zusehends als Standard etablieren. Digitalisierungsinitiativen wie etwa Smart City, Smart Factory, Smart Mobility etc. erhalten so einen neuen Schub. Lernen Sie in diesem Beitrag die Vorteile, Chancen, Anwendungsbeispiele, Risiken und Auswirkungen von 5G im IIoT kennen.

Vorteile und Chancen von 5G im IIoT

5G verspricht im Vergleich zu 4G bis zu zehnfach höhere Geschwindigkeiten sowie eine deutliche Steigerung der Kapazität und Zuverlässigkeit bei der Datenübertragung. Der Einsatz des neusten, fünften Mobilfunkstandards erschließt Unternehmen, Einzelpersonen und der Verwaltung zahlreiche neue digitale Interaktionsräume und Anwendungsfälle. 5G bietet eine entsprechend leistungsfähige Datenübertragungstechnik sowohl für mobile Rechnereinheiten, wie sie etwa in Smartphones verfügbar sind, aber auch für Edge-Devices an Geräten im privaten und betrieblichen Umfeld.  Dank nichtöffentlicher Netze, sogenannter Campus-Netze, können Unternehmen wie auch Kommunen gezielt eigene Bereiche mit 5G vernetzen und den Fluss ihrer Daten verfolgen, speichern, analysieren und steuern.

Drahtlose Verbindungen kommen überall dort zum Einsatz, wo mobile Endgeräte wie nicht-ortsfeste Sensoren, Aktoren, Drohnen oder auch autonome Fahrzeuge vernetzt werden müssen. Diese Geräte und ihre eingebauten Rechen- und Kommunikationseinheiten (Edge-Devices) verfügen häufig über großen Mengen an Daten, etwa über ihre Sensorik oder Aktorik und gerade auch über deren Vernetzung. Eine Vernetzung über Kabel oder andere Übertragungstechniken über mehrere Betriebsstätten oder größere Distanzen hinweg kommt in diesen Fällen nicht in Frage. 5G-Netze hingegen versprechen eine schnelle Installation und deutlich günstigere Einrichtung und Wartung, was die schnelle Einführung und Durchsetzung des Standards fördert¹.

Der größte Unterschied zwischen 4G und 5G ist die Latenz. Hatte 4G noch Latenzzeiten von 60–98 ms, bietet 5G Latenzen von unter 1 ms. Diese drastische Reduzierung ermöglicht nicht nur höhere Downloadgeschwindigkeiten, sondern ist gerade in steuerungsrelevanten Szenarien, etwa im Bereich fahrerloser Transportsysteme (FTS) für die Smart Factory oder Smart Mobility, wo es auf Reaktionszeiten in Echtzeit ankommt, erforderlich.

Wichtig ist 5G auch im Bereich Edge Computing. Durch die kurzen Latenzzeiten und insbesondere durch die hohe Datenübertragungsrate können intelligente Anwendungen und Geräte auf generierte Daten nahezu umgehend reagieren und miteinander interagieren. Das erlaubt die dezentrale Datenverarbeitung, beispielsweise in roboter-basierten Systemen für Transport, Handhabung oder Überwachung. Auch im Bereich Augmented Reality/Virtual Reality, wo die reibungslose Nutzung von Devices wie VR-Brillen von der unmittelbaren Datenverarbeitung abhängt, ist 5G eine zentrale Voraussetzung. In Form von Edge-Cloud-Modellen und 5G-Netzen entstehen durch die Vernetzung von Apps und Services einerseits und intelligenter Devices andererseits ganz neue ad-hoc-Interaktionsräume, die auch bei SEEBURGER im Blickpunkt der Forschung stehen. Diese bilden die Basis zukünftiger Anwendungen im IIoT, in denen reale und virtuelle Datenräume cyber-physischer Systeme in Echtzeit miteinander verschmelzen können.

Anwendungsbeispiele von 5G im IIoT

Schon heute sind die Einsatzmöglichkeiten von 5G im IIoT vielfältig und versprechen, mit zunehmender Reife der Technologie echte Mehrwerte zu schaffen. Wir stellen an dieser Stelle exemplarisch einige Szenarien vor.

Im Straßenverkehr spielt 5G bei der Steuerung autonomer Fahrzeuge und in der Logistik bereits eine wichtige Rolle. Moderne autonome Fahrzeuge verfügen über eine Rechenleistung, wie man sie in der Vergangenheit nur aus Rechenzentren kannte. Erst 5G bietet die notwendige Leistungsfähigkeit, um die Echtzeitkommunikation solcher Datenmengen sicherzustellen. Dank der drastisch reduzierten Latenzzeiten können Fahrzeuge außerdem 10–100x schneller reagieren als über bisherige Mobilfunknetze. Konkret kann das beispielsweise einen um das Zehnfache verkürzten Bremsweg bedeuten. Zwar ist wirklich fahrerloses Fahren, bei dem der Fahrer nur noch Passagier ist, derzeit noch Zukunftsmusik. Doch auch das teilautonome Fahren, wie es heute bereits möglich ist, hilft, Unfallrisiken massiv zu reduzieren.

Im Rahmen der sogenannten Smart Mobility eröffnet 5G über intelligente Verkehrsmonitoring-Systeme, Ampeln, Radar- und LIDAR-Systeme die Möglichkeit, Verkehrssituationen in Echtzeit zu analysieren und zu steuern. Transport- und Verkehrskonzepte, die verschiedene Verkehrsmittel miteinander kombinieren (multimodal), erlauben die Nutzung des jeweils geeignetsten Verkehrsträgers. Gerade im Logistikbereich ermöglichen digitalisierte und über 5G vernetzte Verkehrssysteme und Fahrzeuge die dynamische Steuerung von Transporten unter Berücksichtigung aller aktuellen Verkehrs- und Witterungszustände.

Smart Production/Smart Manufacturing ermöglichen produzierenden Unternehmen die Erweiterung ihrer Produktionsprozesse um eine weitere Ebene der permanenten Datenerfassung und Analyse, etwa über Bildverarbeitung. So können beispielsweise mobile Lager und wandlungsfähige Arbeitsstationen genutzt werden, um den Materialfluss hinsichtlich Reduzierung des Carbon Footprints oder des Ressourcenverbrauchs zu optimieren. Auch zusätzliche Sensoren aus Umfeld und Umwelt, einschließlich des Fabrikgebäudes als Smart-Factory-Anwendung, können für diesen Zweck integriert werden. Die Datenanalyse kann weitgehend – beispielsweise durch den Einsatz einer KI-basierten Lösung – automatisiert werden. Als digitaler Service kann sie über Datenbrillen zum Einsatz kommen, etwa zur assistierten Instandsetzung ganzer Anlagen.

Der Begriff „Smart City/Region“ beschreibt die Suche nach praxisnahen Lösungsansätzen zur Nutzung von Digitalisierungspotenzialen in Städten, vor allem aber auch ländlichen Räumen mit schlechter Infrastruktur. Ziel ist eine verbesserte Lebensqualität durch die Vernetzung von urbanen und ländlichen Räumen, unter anderem mit intelligenten Verkehrs- und Parkraum-Managementkonzepten, flächendeckendem Zugang zum Gesundheitssystem und effizienten Gebäudetechnologien. In der Landwirtschaft kommt 5G im sogenannten „Smart Farming“ bereits zum Einsatz. Ziel ist die Optimierung im Sinne einer nachhaltigen Bewirtschaftung von Anbauflächen, durch die Zusammenführung aller datengetriebenen Services zwischen den beteiligten B2B-Partnern und Behörden. Bei der Entwicklung von Smart Cities/Regions können nahezu alle Bereiche aus Gesellschaft, Wirtschaft und Staat einbezogen werden: Stadt- und Regionalentwicklung, Mobilität und Logistik, Landwirtschaft und Ernährung (Precision Farming), Nahversorgung, Energie und Wasser, Infrastruktur, Gesundheit und Pflege, Wohnraummanagement, Verwaltung und nicht zuletzt die (Cyber-)Sicherheit. Für alle hierfür anvisierten Interaktionen sind nahezu unvorstellbar große Mengen an Daten zu übertragen und in Echtzeit zu vernetzen. Durch die Bereitstellung von 5G sind IIoT-Projekte dieses Ausmaßes erstmals wirklich in den Bereich des technisch Realisierbaren gerückt.

Risiken für die Datensicherheit in der 5G-Ära

Wie bei so vielen Innovationen ist auch bei 5G-gestützten Projekten nicht die Technik das Nadelöhr. Vielmehr gilt es auch hier, neue Regulierungen zu formulieren, die souveräne, wettbewerbserhaltende Interaktionen ermöglichen. Bereits heute sind zunächst die geltenden Vorschriften der DSGVO zu beachten, die jeder Person das Recht zur Selbstbestimmung über die eigenen Daten einräumen. Sämtliche personenbezogenen und auch andere Daten dürfen nur auf Geräten gespeichert oder ausgelesen werden, wenn die Nutzerinnen und Nutzer dem ausdrücklich zugestimmt haben. Das bedingt auch, dass sie im Vorfeld darüber zu informieren sind. Das gilt für jedes Gerät, das an ein öffentliches Kommunikationsnetz angeschlossen ist.

Gleichzeitig ist beim Aufbau von 5G-Netzen jedoch auch die Datensicherheit, also der technische Schutz der Daten, von besonderer Bedeutung. Die relevanten Sicherheitskriterien wurden von der Bundesnetzagentur (BNetzA) in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) konkretisiert und sind deutlich strenger, als dies noch bei 3G und 4G der Fall war. Sie legen unter anderem digitale Maßnahmen, wie geeignete Verschlüsselungstechnologien und Authentifizierungsmethoden, fest; aber auch physische Schutzmaßnahmen, die die integrierten Geräte und Sensoren vor Sicherheitsrisiken wie Vandalismus, Diebstahl oder Elementarschäden schützen sollen.

Die Digitalisierungsszenarien, die 5G für die weitere Ausgestaltung des IIoT und die Industrie 4.0 ermöglicht, stecken in vielerlei Hinsicht noch in den Kinderschuhen. Die Chancen, aber auch die damit verbundenen Herausforderungen lassen sich derzeit noch gar nicht vollumfänglich abschätzen. Vieles ist noch im Aufbau begriffen oder undefiniert. Eine der wichtigsten anstehenden Aufgaben ist daher die weitere Definition von Sicherheitsstandards, die an die sich entwickelnde Technik angepasst werden.

Auswirkungen von 5G auf zukünftige B2B-Integration

Die neuen Interaktionsräume bergen gerade auch für Unternehmen noch große Herausforderungen. Vor allem die Orchestrierung der breitflächig verteilten Integrationsknoten für die Daten- und Serviceintegration in bestehende Systeme, Infrastrukturen und Betriebsabläufe ist in ihrer Komplexität nicht zu unterschätzen. Einerseits müssen Unternehmen ihre Business-Integration für digitale Zwillinge und Cloud-to-Cloud-Szenarien vorbereiten bzw. vorhandene Fähigkeiten ausbauen. Hierbei kommen auch neue Formen des Micropayments oder neue Micro-Contracting-Modelle auf Basis von Blockchain-Technologie ins Spiel. Andererseits müssen Integrationsplattformen in der Lage sein, B2B-Integration auch dezentral von Cloud zu Edge und zurück anzubieten. Schon heute arbeitet die Forschung und Entwicklung von SEEBURGER R&D an konkreten Lösungen, um die Technologiefähigkeit, aber auch Beherrschung der Kernleistungen in diesen neuen, durchgehend digitalen Umgebungen sicherzustellen.

Mit den IIoT-Funktionen der SEEBURGER BIS Plattform können Unternehmen die mit ihren Industrie-4.0-Vorhaben verbundenen Integrationsaufgaben lösen. Nutzen Sie die Möglichkeiten, die der neue Mobilfunkstandard 5G im IIoT und der Industrie 4.0 bietet und erweitern Sie Ihre Integrations- und Analysefähigkeiten um neue Produkte, Maschinen und Akteure in der realen Welt. Durch die Überführung alter, proprietärer Schnittstellen in Standardformate legen Sie den Grundstein für modernste Integrationsszenarien aller Art.