IIoT

»5G wird zum universellen Übertragungsmedium«

27. Mai 2022, 20:38 Uhr | Andreas Knoll
Carsten Mieth, Senior Vice President und Head of Telecommunications, Media & Technology bei Atos
Carsten Mieth, Atos: »Industrie-4.0-Protokolle wie OPC UA over TSN sind bisher drahtgebunden, erlauben aber grundsätzlich auch den Einsatz über das im Protokoll-Stack darunterliegende 5G oder WiFi.«
© Atos

Im IIoT hat 5G große Vorteile gegenüber anderen Kommunikationstechniken. Zudem kann es als Medium für den bisher meist kabelgebundenen Datenaustausch mittels bestimmter Protokolle dienen. Carsten Mieth, Senior Vice President und Head of Telecommunications, Media & Technology bei Atos, informiert.

Markt&Technik: Welche Rolle spielt 5G aus Sicht von Atos für das IIoT und Industrie 4.0?

Carsten Mieth: 5G spielt für die Weiterentwicklung von Industrie 4.0 und Industrial IoT eine sehr große Rolle. 5G-Netzwerktechnologie setzt sich momentan immer mehr durch und erobert Shopfloor und Industriecampus. Dank der geringen Latenz (Verzögerungszeit) und hohen Zuverlässigkeit wird sich die Technologie in den nächsten Jahren als Standard etablieren. Gegenüber anderen Kommunikationsstandards hat 5G folgende Vorteile:

Mobilität: 5G ist für mobile Anwendungsszenarien geeignet, etwa für nicht ortsfeste Sensoren, Aktoren, Kameras, Drohnen oder autonome Fahrzeuge.

Geschwindigkeit der Umsetzung: Der Aufbau eines Netzes auf Kabelbasis ist zeitintensiv. 5G-Netze dagegen sind rasch zu installieren. Sie erfüllen die Anforderungen möglichst kurzer Markt- und Produkteinführungszeiten, eines Schlüsselfaktors für die Vernetzung in der Industrie.

Qualität: 5G ist deterministischer als ein kabelgebundenes Netz. Durch die Technik des Slicing können die Anbieter unterschiedliche Anforderungen an Datenübertragungsraten, Energiebedarf und Reaktionszeiten bedienen.

Kosten: Eine typische Industrial-IoT-Installation hat viele Sensoren, Aktoren oder Kameras, die in größeren Produktionsstätten stark verteilt sind. Eine Verkabelung kann hier wegen der nötigen großen Kabelstrecken und zahlreichen Anschlussstellen zu kostspielig sein.


Welche Vor- und Nachteile hat 5G konkret gegenüber anderen drahtlosen Kommunikationsstandards im IIoT? Und was bedeutet Slicing?

5G bietet ein herausragendes Management der QoS (Quality of Service). So werden mit Slicing Netzwerkscheiben (Slices) definiert, logische „Unternetze“ mit garantierter Bandbreite und Latenz. Der Vorteil ist, dass die einzelnen Slices bei Überlastung jeweils anderer Slices nicht in Mitleidenschaft gezogen werden und die Nutzer trotzdem die ihnen garantierten Parameter haben.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Zeitverhalten. Industrielle Anwendungen benötigen ein zeitsynchrones, deterministisches Verhalten. Dies gilt besonders für die Fertigungssteuerung. Hier muss garantiert sein, dass Signale eine vorhersagbar kurze Laufzeit haben. WiFi hat dieses Verhalten nicht.

Ein Vorteil von WiFi einschließlich der neuen Version 6 ist die äußerst einfache Umsetzung. So lassen sich WiFi-Netze auch mit einfachen Geräten für Privatanwender aufbauen. Das ist ein deutlicher Kostenvorteil.

Andere Standards wie etwa Narrowband IoT (NB-IoT) gehören zu den Low-Power-Wide-Area-Netzen (LPWAN). Sie sind für die kostengünstige Vernetzung lange arbeitender IoT-Geräte wie Heizungssteuerungen oder Energiezählern optimiert. LPWAN sind vergleichsweise schmalbandig, weil die genutzten Sensoren nur geringe Datenmengen übertragen. Zudem benötigen sie wenig Energie, sodass die IoT-Geräte teils mehrere Jahre mit einer Batterie auskommen. Technisch gesehen ist NB-IoT ein Vorgriff auf den 5G-Slice-Typ mMTC (massive Machine Type Communication).


Welche Rolle werden drahtgebundene Kommunikationsstandards wie Industrial Ethernet, TSN / OPC UA / OPC UA over TSN und MQTT in Industrie 4.0 und IIoT künftig spielen?

Für die Rolle der Kommunikationsstandards im Industrial IoT muss genau zwischen den unterschiedlichen Ebenen der Kommunikation unterschieden werden. Auf der obersten Ebene befinden sich Anwendungsprotokolle wie MQTT oder OPC UA mit und ohne TSN. Über sie tauschen die einzelnen Anwendungen Daten aus, über drahtlose oder drahtgebundene Netze gleichermaßen.

Die tieferliegenden Schichten sind die sogenannten Transportprotokolle wie TCP und UDP, die wiederum auf IP oder seiner verschlüsselten Variante IPSec aufsetzen. Ganz unten schließlich folgt die physische Schicht als Fundament für die oberen Ebenen. Hier gibt es die Unterschiede zwischen drahtgebundenen (Industrial Ethernet) oder drahtlosen (WiFi, 5G) Netzen.

Ein ähnliches Schichtenmodell gilt für 5G. Es bietet native IP-Dienste, auf denen die bekannten Applikations-Protokolle und -Standards aufbauen. Zudem wird oft mittels IPSec ein virtuelles privates Netz auf 5G obendrauf errichtet.

Protokolle wie MQTT oder OPC UA sind also nicht notwendigerweise drahtgebunden. Ob drahtgebunden oder drahtlos, hängt von den darunter liegenden Schichten ab.


Wie werden sie mit drahtlosen Kommunikationsstandards wie 5G, Wi-Fi 6 oder LPWAN zusammenwirken?

Die im Industrial IoT genutzten Protokolle auf Anwendungsebene wie OPC UA oder MQTT beruhen auf IP, das sowohl drahtgebundene als auch drahtlose physische Layer unterstützt. Die Applikationsprotokolle arbeiten transparent, sodass beispielsweise der physische Layer auch gewechselt werden kann. Eine Analogie dazu: Für E-Mails macht es keinen Unterschied, ob sie auf einem Laptop im heimischen WLAN oder über die Ethernet-Verkabelung in einem Unternehmen abgerufen werden.

Selbstverständlich schlagen aber Qualitätsmerkmale wie Bandbreite, Latenz oder deterministisches Zeitverhalten der physischen Schicht bis ganz nach oben hin durch.


An welchen Stellen und für welche Aufgaben werden eher drahtgebundene, an welchen Stellen und für welche Aufgaben eher drahtlose Kommunikationstechniken zum Einsatz kommen?

Drahtlose Verbindungen sind dort notwendig, wo die Endgeräte mobil sein müssen. In einzelnen Szenarien haben drahtlose Verbindungen aber auch Kostenvorteile. Denn sie sind oft kostengünstiger zu realisieren als drahtgebundene. So entfallen beispielsweise Grabungsarbeiten und die Einrichtung von Verteilern.

Zudem ist es möglich, drahtlose Netzwerke sehr schnell aufzubauen, im Einzelfall aber auch wieder abzubauen. Sie sind also überall dort die erste Wahl, wo Geschwindigkeit ein wichtiger Faktor ist oder wo ein drahtloses Netz nur temporär genutzt werden soll, etwa um auf Großveranstaltungen stabile Internetverbindungen anzubieten.

Trotzdem haben auch drahtgebundene Netze Vorteile. So ist es angesichts der Hardware-Kosten selten sinnvoll, ein bereits vorhandenes Ethernet durch 5G zu ersetzen. Zudem sind Ethernet-Kabel in kleineren Unternehmen und häufig sogar in Privathaushalten immer noch die billigste und zugleich technisch robusteste Alternative.


Wireless TSN soll Merkmale und Funktionen des drahtgebundenen TSN auf 5G und Wi-Fi 6 übertragen. Welche Rolle wird Wireless TSN künftig spielen?

Wireless TSN bietet für alle Szenarien, in denen drahtlose Kommunikation nötig ist, die gleichen Möglichkeiten wie das drahtgebundene TSN, etwa OPC UA over TSN. Es ermöglicht stabile Echtzeit-Verbindungen, die für die Fertigungssteuerung und ähnliche Aufgaben erforderlich sind.

Bei Wireless TSN über 5G entsteht allerdings in einigen Fällen für kleine und mittelgroße Unternehmen ein Problem. Private 5G-Campusnetze sind für sie oft zu aufwendig, und öffentliches 5G ist mit hohen Kosten verbunden oder am Standort nicht verfügbar.

Ein potenzieller Ersatz ist Wireless TSN über WiFi. Das ist technisch möglich, aber nicht unbedingt ratsam. Das nicht-deterministische Zeitverhalten von WiFi sowie das im Vergleich zu 5G schwächere QoS-Management konterkarieren die Grundidee von TSN: die Zeitsynchronizität für industrielle Echtzeit-Anwendungen.


Könnte OPC UA over TSN, bisher eine drahtgebundene Technik, auch drahtlos via 5G und WLAN (Wi-Fi 6) übertragen werden?

Industrie-4.0-Protokolle wie OPC UA over TSN sind bisher drahtgebunden, erlauben aber grundsätzlich auch den Einsatz über das im Protokoll-Stack darunterliegende 5G oder WiFi. Dafür muss Zeitsynchronizität garantiert sein, was bei 5G nur eine Frage des richtig konfigurierten Network-Slices ist. Bei WiFi – selbst beim neuen Standard Wi-Fi 6 – ist das hingegen eine erhebliche Herausforderung.


Wie weit ist der Standardisierungsprozess von Wireless TSN fortgeschritten? Wie lautet diesbezüglich die Roadmap?

Wireless TSN befindet sich im Moment noch in der Standardisierung. Weil es sich um eine ganze Protokoll-Suite handelt, ist der Prozess langwierig. Nähere Informationen sind unter https://avnu.org/wirelessTSN/ zu finden.


Für welche Unternehmen lohnt es sich, 5G-Campusnetze aufzubauen?

Die Unternehmen müssen drei Voraussetzungen erfüllen. Sie benötigen erstens ein Szenario, das drahtlose Kommunikation überhaupt erfordert. Zweitens sollte das Szenario bzw. das Unternehmen ausreichend groß sein, um die im Vergleich zu WiFi deutlich höhere Komplexität zu rechtfertigen. Und drittens muss das Unternehmen eine Funkfrequenz beantragen, was auch einen gewissen Aufwand bedeutet. In Deutschland ist dieser Antragsprozess gut geregelt und relativ einfach, in anderen Ländern kann er schwierig sein.

Der Aufbau der Hardware ist einfacher, als viele Unternehmen vermuten. So müssen nicht unbedingt Funktürme aufgebaut werden. Moderne Mikro-, Nano- und Femtozellen sind outdoor und indoor nutzbar. Die Basisstationen haben dabei eine mittlere bis geringe Baugröße. Der kleinste Formfaktor entspricht etwa dem einer WLAN-Basisstation.

Sinnvoll sind 5G-Campusnetze überall dort, wo Mobilität nötig ist. Ein Beispiel dafür ist ein Lagerplatz mit selbstfahrenden Gabelstaplern oder Transportwagen. Privates 5G kann außerdem in vielen Szenarien das heute noch übliche WLAN in großen Gebäuden oder Geländen ersetzen, etwa in Krankenhäusern oder Sportstadien.


Worauf müssen produzierende Unternehmen generell achten, wenn sie ihre Netze zukunftssicher machen wollen?

Private 5G-Campusnetze entsprechen technisch den bekannten Standards öffentlicher Netze und sind damit sehr zukunftssicher. Unternehmen sollten jedoch ausschließlich standardkonforme, offene Private-5G-Komponenten einsetzen, die eine Cloud-native technische Basis haben – auf Kubernetes aufbauend. Proprietäre Appliances, also Fertiggeräte, sind nicht ratsam, selbst wenn sie nach Herstellerangaben robust und kosteneffizient sind.


Welche Dienstleistungen bietet Atos für das IIoT und Industrie 4.0 an?

Atos hat für die digitale Transformation zur Industrie 4.0 ein Angebot mit klaren Anwendungsfällen aus der Welt der Fertigung entwickelt, etwa aus der Automobilindustrie, der Pharmaindustrie, der Luft und Raumfahrt und der Konsumgüterindustrie.

Über die Zusammenarbeit mit Siemens und der Industrie-4.0-Pilotfabrik der TU Wien ermöglicht Atos eine gemeinsame Entwicklung von Lösungen. Das Unternehmen integriert laufend neue digitale Technologien in sein Vorgehensmodell, beispielsweise Additive Manufacturing.

In einem stufenweisen Ansatz werden Aspekte wie kundenorientierter Produktlebenszyklus, integriertes Unternehmensmanagement und optimierte Lieferketten zu den Stufen der Transformation. Atos bietet umfassendes Know-how für die Industrie 4.0, etwa zu Smart Factory, Advanced Analytics und High Performance Computing.

Die Fragen stellte Andreas Knoll.

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