5G für Automobil und Industrie

Rollout mit angezogener Handbremse

20. Mai 2022, 11:00 Uhr | von Mark Patrick, Mouser Electronics
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Mit 5G können Fahrzeuge über das Internet vernetzt werden.
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Höhere Datenraten werden das Herunterladen von Informationen aus dem Internet beschleunigen. Doch der Nutzen für Industrie- und Fahrzeuganwendungen wird noch weitaus größer sein. Ein Blick auf diese Entwicklungen und wie bzw. ab wann sich die Vorteile von 5G für zukünftige Designs nutzen lassen.

Sensoren und Aktoren sind über kabelgebundene Feldbus-Netzwerke wie Profinet, CANBus und Industrial Ethernet mit Controllern verbunden. Diese Netzwerke bilden die Hauptleitung für digitale Kommunikation in vielen modernen Fabriken. Kabelgebundene Kommunikation bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass industrielle Prozesse nur mit großem Aufwand geändert werden können. Ein Techniker muss die Kabel am Sensor, Aktor oder Controller physisch bewegen. Das ist nicht nur zeitaufwendig, sondern auch teuer, da die Produktion gestoppt werden muss, während die Änderung vorgenommen wird.

Die Geschwindigkeit von drahtloser Kommunikation steigt mit jeder neuen Generation. Die Datenraten der neuesten vollständig implementierten Generation (4G/LTE) reichen jedoch noch immer nicht aus, um eine Latenz von nahezu null zu erreichen, die für industrielle Echtzeitprozesse erforderlich ist. Eine weitere Herausforderung bei der Nutzung von drahtloser Telekommunikation in der Industrie ist das hohe Maß an elektrischem Rauschen in Fabrikumgebungen (verursacht durch das konstante Ein- und Ausschalten von Hochleistungsmotoren), das Funksignale stören kann. 5G liefert eine Reihe von Vorteilen, mit denen diese Probleme bewältigt werden können. Gleichzeitig bietet es eine niedrige Latenzzeit, sodass industrielle Prozesse effizienter und flexibler werden.

Produktionsmanager in modernen Fabriken müssen den Status automatisierter Prozesse kontinuierlich überwachen. 5G ermöglicht mMTC (Massive Machine-Type Communications) und wird damit den Anforderungen drahtloser Sensornetzwerke (WSN) gerecht. Zudem werden 5G-Funkgeräte mit niedrigerem Stromverbrauch die Effizienz durch die Maximierung der Betriebslebensdauer batteriebetriebener Sensoren steigern, sodass weniger Wartung durch technisches Personal erforderlich ist.

Das Time-Sensitive Networking (TSN), das für Echtzeit-Applikationen wie Robotik und Bewegungssteuerung in industriellen Prozessen erforderlich ist, wurde bisher durch kabelgebundenes Industrial Ethernet ermöglicht. Dank ultrazuverlässiger Kommunikation mit geringer Latenz (URLLC) bildet 5G eine geeignete drahtlose Alternative, die auch die Anforderungen cloudgesteuerter Roboter erfüllt.
5G ermöglicht eine schnellere Implementierung von Edge-Geräten sowie eine stärkere Nutzung von Virtual Reality, Augmented Reality und Artificial Intelligence (VR/AR/AI) im Produktionsbereich. Voraussetzung ist die 5G-basierte Hochgeschwindigkeits-Kommunikation mit geringen Latenzzeiten direkt mit der Cloud, wodurch auch Kosten und Komplexität von Geräten in der Produktion reduziert werden.

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Entwicklung des C-V2X-Standards von 3GPP
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Herausforderungen und Chancen von 5G

In absehbarer Zukunft müssen 5G-Applikationen noch in Kombination mit bestehenden kabelgebundenen und drahtlosen Netzwerktechnologien genutzt werden, bevor sie diese ganz ersetzen können. Deshalb ist eine nahtlose Integration in die bestehende Fabrikinfrastruktur notwendig. Das wird eine Herausforderung sein, denn für Mobilfunknetzbetreiber (MNOs) hatte die Signalabdeckung in Innenräumen bisher keine hohe Priorität. Aus diesem Grund ist die Einrichtung eines privaten 5G-Netzwerks (auch Non-Public Network) an Produktionsstandorten für viele Unternehmen eine attraktive Möglichkeit. Mithilfe von Open-RAN-Technologien können Betriebskosten von 5G Radio Access Networks (5G RAN) reduziert werden, sodass sie eine realistische Option darstellen. Regulierungsbehörden für den Telekommunikationssektor auf der ganzen Welt haben einen dedizierten Teil des verfügbaren kabellosen Spektrums für privates 5G zur Verfügung gestellt. Unternehmen können davon Gebrauch machen und ihr privates Netzwerk entweder teilen oder vollständig von öffentlichen 5G-Netzwerken isolieren.

5G und das Zeitalter des vernetzten Fahrzeugs

Die Automobilindustrie wird Prognosen zufolge maßgeblich von der 5G-Implementierung profitieren. Bevor vollständig autonome Fahrzeuge auf unseren Straßen unterwegs sind, wird es zwar noch eine Weile dauern; jedoch wissen wir schon heute, dass internetfähige Fahrzeuge selbstverwaltende Telematik, C-V2X-Sensoren (Cellular Vehicle-to-Everything) und fortschrittliche Infotainment Features enthalten werden.

Vollständig vernetzte Fahrzeuge werden jeden Tag enorme Datenmengen generieren, und zwar bis zu 4 Terabyte. C-V2X-Kommunikationssysteme nutzen diese Daten bereits. So werden Daten von Motormanagementsystemen beispielsweise direkt an entfernte Servicezentren gesendet, wo sie zur vorausschauenden Wartung genutzt werden. Sensoren im Fahrzeug erfassen kontinuierlich örtliche Verkehrs- und Wetterinformationen, die in öffentlichen Sicherheitssystemen verwendet werden. Versicherungsunternehmen nutzen wiederum Daten, die von diesen Systemen bereitgestellt werden, um mehr über Fahrerverhaltensmuster, Fahrzeugstandorte und zurückgelegte Entfernungen zu erfahren und die Höhe von zukünftigen Versicherungsbeiträgen zu ermitteln.

Mit Entwicklungen im Mobilfunk wurde in den letzten Jahren auch der Funktionsumfang von C-V2X erweitert. Vorangetrieben wird dies vom 3GPP (3rd Generation Partnership Project), einem weltweiten Standardisierungsgremium für Mobilfunktechnologien wie Funkzugang, Kernnetz und Dienstfunktionen. Dieses Gremium liefert eine umfassende Systembeschreibung für die mobile Telekommunikation, und Release 16 dieses Projekts befasst sich mit Weiterentwicklungen für fortgeschrittene Fahrerassistenzsysteme (FAS).

Unternehmen wie Tesla, Google und BMW testen bereits vollständig autonome Fahrzeuge. Diese Test Events erregen viel Aufmerksamkeit und sollen die Erwartungen der Öffentlichkeit und die zukünftige Akzeptanz dieser Fahrzeuge steigern. Einige exklusive Fahrzeuge verfügen bereits über integrierte C-V2X-Technologien, die für ein gewisses Maß an Autonomie sorgen (bis Level 3).
Die Bandbreite von 4G-Netzwerken kann die kontinuierlich zunehmenden Datenvolumen, die die genannten Applikationen generieren, schlichtweg nicht bewältigen. Damit sicherheitskritische Systeme in Echtzeit auf Ereignisse reagieren können, ist eine Latenz von nahezu null nötig – eine Anforderung, die LTE nicht erfüllt. Deshalb wird schnell klar, dass autonome Fahrzeuge nur mit 5G Realität werden können.

Fazit

Drahtloskommunikation in Fabriken und vollständig autonome Fahrtzeuge werden erst möglich sein, wenn die durch 5G gebotenen Netzwerkverbesserungen vollständig verfügbar sind. Auch wenn die Einführung von 5G in der Anfangsphase aufgrund der Auswirkungen der globalen Pandemie nur langsam vorangeht, werden die zweite und die späteren Phasen des Rollouts höchstwahrscheinlich die Nachfrage beschleunigen, die in Zukunft mit Sicherheit die Grundlage für viele innovative Applikationen sein wird. 


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