Praxis: 5G in der Erprobung
Gefunkt wird meist noch mit 4G
Die Lizenzierung der 5G-Funkbänder hat in Deutschland begonnen. Erste Resultate aus Feldversuchen mit Teilaspekten der neuen Technik liegen vor. Allerdings gibt es trotz heftigen Trommelns interessierter Unternehmen noch viel zu tun, bis 5G die gewünschte allseitige Präsenz erreicht - falls dies überhaupt so kommen wird.
Die großen TK-Anbieter und Provider überhäufen sich mit Werbung für 5G. Manchmal klingt es so, als führe der neue Funkstandard geradewegs in ein Paradies der Telekommunikation. Die deutsche Industrie kann es, so jedenfalls eine aktuelle Untersuchung des Verbandes der Digitalbranche, Bitkom, kaum noch erwarten, bis der neue Mobilstandard endlich praktisch verfügbar ist.
Nach den Ergebnissen dieser Umfrage, an der sich mehr als 500 Industrieunternehmen beteiligt haben, ist 5G-Verfügbarkeit schon heute wichtig - allerdings längst nicht für alle Firmen: 49 Prozent der Unternehmen ab 50 Mitarbeitern und für 66 Prozent der Unternehmen ab 2.000 Mitarbeitern bejahten die aktuelle Bedeutung von 5G für ihre Firma. Nur sechs Prozent wünschen sich allerdings lokal nutzbare Frequenzen, also ein 5G-Inselnetz. Immerhin 42 Prozent wollen eine 5G-Versorgung, nur ein Drittel davon wiederum wünscht sich jedoch einen Netzbetreiber als Versorger. Grund für den 5G-Hunger: die erwarteten hohen Geschwindigkeiten und dadurch bedingten kurzen Reaktionszeiten. Diese wiederum sollen die smarte Fabrik ermöglichen.
Etwa die Hälfte der Befragten plant den 5G-Einsatz für die vernetzte Produktion. Davon wiederum etwa die Hälfte setzt im Rahmen der geplanten 5G-gestützten Automatisierung auf Assistenzsysteme und Echtzeit-Maschinenkommunikation. 39 Prozent derjenigen, die 5G einsetzen wollen, denken an autonome Fahrzeuge und Transportsysteme. 31 Prozent planen mobile Roboter. Doch kann die Realität bereits mit diesen hochgesteckten Erwartungen mithalten?
5G im Realitäts-Check
Versuche im Feld bringen erste Hinweise darauf, ob die hochgesteckten Erwartungen tatsächlich realistisch sein könnten. Ein Beispiel ist das 30 km lange 5G-Testfeld mit sechs Türmen und Funkzellen an der Autobahn A9 bei Nürnberg. Dort geht es um autonomes Fahren auf der Autobahn, um die Kommunikation zwischen Zügen untereinander und der Strecke, die hier eng parallel zur Autobahn verläuft, sowie mit den Leitzentralen und auch um die Steuerung von Flugdrohnen. Eine Pressetour Anfang des Jahres zusammen mit Andreas Scheuer, Bundesminister für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI), demonstrierte die erwähnten drei Themen (siehe Bild oben).
Die 5G-Teststrecke wird seit 2016 von einem umfangreichen Konsortium durchgeführt, darunter der Automobilbauer BMW, die Deutsche Bahn, das 5G-Labor der TU Dresden und die Bundesanstalt für Straßenwesen. Ins Leben gerufen hat es Ericsson. Die Bundesnetzagentur stellte sechs Frequenzen im 700-MHz-Bereich für den Datentransport zum Cloud-Rechenzentrum zur Verfügung, und auch die großen Provider T-Mobile, Telefonica und Vodafone sind mit von der Partie.
Die große Enttäuschung gleich vornweg: Gefunkt wird dort mit 4G-Technik. Erstens sind die 5G-Standards für die Echtzeitkommunikation noch nicht fertig, zweitens die Lizenzen (bei Fertigstellung des Artikels) noch nicht erteilt. Getestet wird nur, ob auf die Funkstrecke aufgelagerte Softwaretechniken funktionieren, vor allem das sogenannte Slicing, also die Aufteilung desselben Senders und derselben Funkstrecke auf unterschiedliche Funktionen, Kunden etc. Wichtig ist dabei die saubere Trennung der Datenströme, die sich in keiner Weise beeinträchtigen dürfen. Das Slicing funktioniert in allen präsentierten Anwendungsfeldern.
Das Beispiel zeigt, wie im Zug auf unterschiedlichen Slices im 5G-Frequenzband einerseits ein Unterhaltungsprogramm, andererseits betriebswichtige Informationen laufen. Fazit: Auch mächtige Videos oder Online-Gaming über das Zugnetz beeinträchtigen nach dem Slicing den Betriebsfunk nicht mehr. Probleme in Gestalt von Bildverzerrungen oder -ausfällen ergaben sich lediglich dann, wenn der mit Messtechnik vollgestopfte Testzug "Advanced Train Lab", ein gewöhnlicher ICE, durch Tunnel fuhr. Denn dort sind schlicht noch keine Antennen montiert.
Auch die zu einer fliegenden Drohne bestehende Funkstrecke ließ sich über einen von zwei Kanälen steuern. Der andere sollte von einer in das Flugmobil integrierten Kamera erzeugte Bilder nach unten senden. Dies hätte wohl funktioniert. Doch weil sich die Kamera-App aufhängte, blieb das Bild, das dieser Kanal generierte, auf dem Screen des am Boden befindlichen Laptops leer.
Am Standort Greding, wo sich eine Autobahnmeisterei befindet, laufen Daten von dem mit sechs Funktürmen ausgestatteten Autobahnabschnitt in einem Edge-Datenzentrum zusammen - auch die Edge-Technik ist bekanntlich eine mit 5G und IoT (Internet of Things) verbundene infrastrukturelle Neuerung. Der schlichte graue Kleincontainer, in dem sich die IT-Komponenten verstecken, ist längst nicht so vollgestopft wie die Demo-Systeme von Edge-RZs auf den Messen, funktioniert jedoch anscheinend gut als Daten-Sammelpunkt und ausgelagerte Kontrollstation. Im Container steckt der lokale IoT-Packet-Core. Außerdem befindet sich dort ein Policy-Controller, der Netzwerkregeln an die unteren Netzwerkebenen weitergibt.
Die Zentrale der Infrastruktur, die auch Signalisierung, Authentisierung und Mobil-Management übernimmt, befindet sich im Aachener Eurolab-Steuerzentrum. Dorthin werden die Daten über eine 700-MHz-Funkstrecke versandt. Zum Daten-Einsammeln dienen die neue Luftschnittstelle LTE CAT-M1, eine sehr energiesparsame Datenübertragungsform, und Narrowband IoT.
In dem Bus, der die Journalisten wieder zum Zug brachte, befindet sich ein Sender, mit dem in Echtzeit gemessen wird, wie lange Daten an unterschiedlichen Stellen der Strecke zum Sender und zurück brauchen, nämlich zweistellige Millisekunden-Werte. Die Kommunikation zwischen Fahrzeugen zeigte man nicht.
Allerdings werden die Beteiligten bei der Kommunikation zwischen Fahrzeugen vorläufig gar nicht mit Mobilfunk arbeiten, wofür etwa die Telekom und die deutsche Automobilbranche bislang gekämpft hatten. Jüngst entschied sich die EU für ETSI ITS G5 (European Telecommunications Standards Institute), eine auf IEEE 802.11p basierende Kommunikationsform im 5,9-GHz-Frequenzband. Sie ist verwandt mit dem WLAN-Standard 802.11a, jedoch speziell zugeschnitten auf die Car-to-Car-Kommunikation. Grund: Die entsprechenden Normen für 5G sind schlicht noch nicht fertig. Ob man irgendwann auf sie umsteigt, bleibt derzeit offen. Fazit des Besuchs: Was hinsichtlich der Funktechnik versprochen wurde, funktionierte auch.
Industrielles 5G - Beispiel Osram
Eines der Unternehmen, das 5G-Technik derzeit bereits umsetzt, ist Osram. Allerdings funkt man auch dort vorläufig mit 4G. Doch das Unternehmen erprobt ebenfalls neue Techniken wie das Network-Slicing oder softwaredefiniertes Netzwerken. Beim Osram-Projekt arbeiten verschiedene Partner zusammen. Die Telekom stellte es in Barcelona anlässlich des Mobile World Congress 2019 öffentlich vor. Osram erhält für sein Werksgelände in Schwabmünchen eine exklusive "Netzwerkscheibe", ein Slice für die Nutzung für Unternehmenszwecke. Gleichzeitig existiert auf dem Gelände ein öffentliches LTE-Netz. Auf dem Gelände unterhält Osram unter anderem eine Edge-Cloud zur erzeugungsnahen Datenauswertung.
Der Osram-exklusive Netzteil befindet sich auf dem gesamten Werksgelände von 55.000 Quadratmetern. Davon sind 26.800 Quadratmeter Produktionsfläche. 75 Prozent der Innenfläche sind mit dem drahtlosen LTE/5G-Netz erschlossen. Installiert sind zwei Außen- und 17 Innenantennen.
Stefan Fritz, Vice President Digitale Fabrik bei Osram, betont: "5G ist bei uns Teil eines Gesamtkonzepts zur digitalen Fabrik." Man experimentiere in unterschiedlichen Fabriken weltweit mit diversen Techniken, in Schwabmünchen unter anderem mit 5G. Die Technik erlaube es, neue Effizienzressourcen zu erschließen. Beispielsweise müsste keine neue Vernetzungsinfrastruktur gebaut werden, nur weil sich die Platzierung von Maschinen in der Fabrik verändere. In Schwabmünchen entstehen rund 3.500 Vorprodukte für Osram-Erzeugnisse. Dazu gehören Produktionsvorgänge wie Sintern, Walzen oder Ziehen. "Insgesamt realisieren wir hier rund 60 Prozessschritte", erklärt Fritz.
Bisher steht erst ein Usecase: Zwei fahrerlose Transportsysteme sind mit entsprechenden Antennen ausgerüstet und senden nun Daten an das vor Ort befindliche Edge-Rechenzentrum. Es generiert daraus Echtzeitreaktionen beispielsweise hinsichtlich der Fahrtroute und nimmt andere schnelle Analysen vor. Die Steuerung funktioniert derzeit allerdings nur im Fabrikgebäude. Daten und Analysen geringerer Dringlichkeit, aber dauerhaften Nutzens führt Osram in einem weltweit zentralen Cloud-Rechenzentrum des Unternehmens aus.
Zwei weitere Usecases sollen demnächst umgesetzt werden: einerseits Fernwartung mithilfe der Hololens und zweitens die Steuerung der fahrerlosen Systeme auch außerhalb der Produktionshallen, also zwischen Gebäuden. Für jeden Fall arbeiten Telekom und Osram gleichzeitig an Modellen, die eine solche Umsetzung für beide Seiten auch finanziell lukrativ macht.
Logistik im Hamburger Hafen
Auch in einem Projekt mit der Hamburg Port Authority, das im Januar 2018 startete, geht es um Grundsätzliches wie Edge Computing und Netzwerk-Slicing. Die Recherche dazu wurde per E-Mail-Interview durchgeführt. Es handelt sich um ein Forschungsprojekt, das einen technischen Prototypen aufbaut. Das wichtigste Ziel der HPA besteht darin, die 5G-Technok im Kontext des Hafenbetriebs praktisch zu evaluieren und insbesondere das 5G-Netzwerk-Slicing für einen zukünftigen produktiven Einsatz zu bewerten.
Es handelte sich um ein komplett von der EU gefördertes Projekt im Rahmen des zweijährigen EU-Projekts 5G MonArch (5G Mobile Network Architecture für diverse services, use cases, and applications in 5G and beyond), in das die Telekom und Nokia eingebunden waren. Daher gab es keine konkreten wirtschaftlichen Herausforderungen.
Technisch war für die HPA die größte Herausforderung, die virtuellen Netzwerk-Slices, voneinander getrennte virtuelle Netze, auf demselben Funkkanal, in das Hafennetz der HPA zu integrieren. Es sollte getestet werden, wie Applikationen mit sehr unterschiedlichen Kommunikationsanforderungen innerhalb eines Netzes nebeneinander funktionieren.
Drei Anwendungen realisierten die Beteiligten: Zunächst installierte man Sensoren auf Schiffen der HPA-Tochter Flotte Hamburg. Sie liefern Bewegungs- und Umweltdaten in Echtzeit aus großen Teilen des Hafengebiets. Zweitens steuert die HPA mit einer Ampel, die an das Mobilfunknetz angebunden ist, aus der Ferne Verkehrsströme im Hamburger Hafen. Drittens übertragen die Systeme 3D-Informationen an eine Augmented-Reality-Anwendung. Durch eine entsprechende Brille betrachtet, erscheinen damit Gebäudedaten von künftigen oder ehemaligen Bauwerken in der realen Umwelt. Dies unterstützt zukünftig Ingenieure dabei, direkt im Hafengebiet Bauplanungen zu überwachen oder zu optimieren. Dabei geht es besonders um die schnelle Übertragung hoher Datenmengen außerhalb des Netzwerks.
Eingebunden in die zwei errichteten Funkzellen im 700-MHz-Funkband waren etwa 15 Endgeräte. Ein Edge-Datacenter befindet sich in Hamburg, das zentrale RZ in Nürnberg. Alle Remote-Access-Network-Funktionen (RAN) sind in der Basisstation implementiert. Die Kernnetzfunktionen können im Edge und im zentralen Datacenter laufen. Zudem stellt das Edge-Datacenter den Teilnehmerzugang bereit. Die Ausführung von Funktionen im Edge-Datacenter ermöglicht eine niedrigere Latenz als die im zentralen RZ. Dieser Effekt lässt sich messen. Die Ausführung im zentralen RZ ermöglicht zudem einen Bündelungsgewinn, also etwa bessere Auslastung der Server und niedrigeren Stromverbrauch. Letztgenannte Effekte lassen sich im Rahmen des Testbeds jedoch nicht messen; dazu wären mehr Funkzellen und Endgeräte erforderlich.
Beim Test standen nicht absolute Leistungswerte im Vordergrund, sondern die technische Umsetzung des Network Slicings und die Anbindung des Slice an ein Unternehmensnetz. Es war daher eine möglichst große Fläche des Hamburger Hafens abzudecken. Daher sind die Antennen auf dem Heinrich-Hertz-Turm montiert, dem 279 Meter hohen Hamburger Fernsehturm im Stadtteil St. Pauli. Dies führt zu Funkdistanzen zwischen vier und neun Kilometern. Außerdem nutzen die Systeme nur einen relativ kleiner Frequenzbereich für das Testbed. Die Latenzen liegen so zwischen 15 und 20 ms, können jedoch unter schwierigen Bedingungen auf über 50 ms anwachsen. Grundsätzlich ist es jedoch bisher die Demonstration gelungen, dass sich derart große Flächen - der Hafen umfasst ein Areal von rund 8.000 Hektar – zuverlässig über Mobilfunk abdecken lassen.
Neben erweiterten und modifizierten LTE-Geräten kommt im Testbed auch experimentelle Hardware zum Einsatz, die ursprünglich für den Laborgebrauch gedacht war. Beides ist nun in einer Barkasse montiert, die eine erheblich rauere Umgebung darstellt. Die veränderten LTE-Systeme erwiesen sich hinsichtlich Mobilleistung und Umgang mit den Umgebungsbedingungen als sehr robust, die Prototypen waren diesbezüglich nicht gleichwertig. Allerdings zeigten sie immerhin, welche Leistungsgewinne sich mit 5G-Technik realisieren lassen.
Unter den genannten Prämissen hat das Projekt alle initialen Erwartungen erfüllt. Ob und wie sich Arbeitsabläufe im Hafen durch das Projekt ändern, wie sich 5G auf den Energieverbrauch der Kommunikations- und RZ-Infrastruktur auswirkt und ähnliche Fragen sind wegen des Prototypen-Charakters ohnehin noch kein Thema. Erst nachdem das Projekt evaluiert ist, soll bewertet werden, wie sich die Arbeitsabläufe innerhalb der HPA mit einem Produktivnetz gestalten lassen.
5G-Sonderbereich auf der Hannover Messe Industrie
Einen Blick in die Zukunft eröffnete auch der umfangreiche Sonderausstellungsbereich 5G auf der Hannover Messe Industrie. Dort waren tatsächlich Prototypen von "echten" 5G-Modems im Einsatz. Allerdings arbeiten sie noch mit nicht finalisierten Formen der nächsten Version des 3GPP-Standards. Dies immerhin schien in der umfangreichen Installation reibungslos zu funktionieren. Auf der großen Ausstellungsfläche arbeiteten reale Werkzeugmaschinen etwa von Festo neben Modellen 5G-gesteuerter Produktionslinien, mit denen der Autobauer VW seine Mitarbeiter für den Umgang mit der automatisierten Fabrik mit 5G-Kommunikation schult.
Allerdings wird es bis zum kommenden Jahr dauern, bis die mit allen industriellen Echtzeitfähigkeiten ausgerüsteten Versionen des 3GPP-Standards endlich finalisiert sind und den Markt erreichen. Erst dann also kann sich zeigen, was 5G im industriellen Umfeld tatsächlich leistet.
Daran, dass 5G tatsächlich Dinge ermöglichen wird, die bisher nicht gingen, hat zumindest Michael Opitz, Partner bei Arthur D. Little und Leiter des Telecom Practice, keine Zweifel. Entscheidend sei die Möglichkeit, mit sehr geringen Latenzzeiten Echtzeit-Applikationen zu steuern, wesentlich mehr Bandbreite zur Verfügung zu stellen und erheblich mehr Devices gleichzeitig verwalten zu können. So werde man zum Beispiel Roboter über 5G steuern, wofür WLAN oder eine Festnetzanbindung weniger geeignet sind.
Allerdings werde 5G eine massive Verdichtung von Standorten bedeuten, von denen sehr viele als Small Cells realisiert sind. Heute gebe es rund 76.000 Standorte für Funksendeanlagen, nämlich rund 23.000 Türme und rund 53.000 auf Dächern. Sowohl zur Erfüllung der Frequenzauflagen von 2015 sowie derjenigen aus der jetzigen 5G-Auktion werden Tausende neuer Maststandorte auch für die LTE-Verdichtung nötig sein. Dazu käme das Mehrfache an Small Cells, um vor allem im städtischen Bereich den stark steigenden Datenverkehr abführen zu können. Was das angesichts der lokal sehr heftigen Widerstände gegen Funktürme bedeuten kann, darf sich jeder selbst ausmalen. Allerdings werde man, so Opitz, vermehrt auch auf bestehende oder bereitstehende Standorte zugreifen - etwa die Strommasten von Energieprovidern, sodass möglichst wenig neue Türme nötig sind.
Sind 5G und Edge Computing wirklich nötig?
Neben Campusnetzen und der Bereitstellung größerer Bandbreiten für Konsumenten sieht Opitz als weiteren Ausbreitungsschritt für 5G die Anbindung von Haushalten in Vorstädten oder kleineren Gemeinden über "Fixed Wireless Access". Erst in einigen Jahren werde 5G große Teile der Bevölkerung erreichen - und auch nur in den Regionen, wo sich dies für die Provider rechnet. Auch Smart City, ein Lieblingsprestigeprojekt vieler TK-Provider und Equipmenthersteller, rangiert laut Opitz relativ weit hinten auf der 5G-Zeitachse, da dazu meist bestehende Technik ausreicht. "Hier sind Städte wie Stockholm, Barcelona oder Singapur viel weiter", meint Opitz. Nutzeffekte würden sich im Gesundheitswesen, Steuerung von Verkehr oder bei der Optimierung kommunaler Dienste zeigen.
Wirklich notwendig sei 5G allerdings nach Untersuchungen von Arthur D. Little nur für rund zehn bis 15 Prozent von 400 untersuchten Einsatzszenarien, mithin für nicht so viele. Diese bieten jedoch erhebliches Potenzial, man denke nur an die Steuerung von Robotern oder autonomen Fahrzeugen in der Automobil-, Logistik- oder produzierenden Industrie.
Wo ist die Killerapplikation?
Dass noch eine Killerapplikation für 5G fehlt, glaubt Klaas Mertens, Global Solutions Architect beim Colocation-Provider Equinix. Provider wie Equinix müssen sich heute überlegen, ob sie in Edge Computing investieren. Mertens: "Die Versuche werden derzeit mit 4G-Technologie gemacht, wenn allerdings die angepeilte Skalierung kommt, wird 5G dringend nötig, denn es ist auf große Mengen an Endgeräten und die dezentrale Ausführung von Funktionen ausgelegt."
Ob diese Skalierung wirklich funktioniert, müsse sich allerdings in der Praxis erst zeigen, meint Mertens. Eine von vielen Unwägbarkeiten dabei betrifft die Frage, was passiert, wenn unterschiedliche Provider ihre Daten untereinander austauschen oder gemeinsam auswerten müssen - etwa, wenn das Fahrzeug an das Netz der Telekom angebunden ist, die Autobahn aber von Vodafone versorgt wird. Dazu führt Equinix in Frankreich und Großbritannien mit anderen Partnern Tests durch. Opitz: "Es fragt sich beispielsweise, wie nah der Austauschpunkt beim Nutzer liegen muss."
Skalierung aber ließe sich experimentell kaum im nötigen Umfang testen, es könne also durchaus Überraschungen geben, meint Mertens. Testanlagen, etwa die Demonstrationsfabrik der RWTH Aachen, in der IoT- und Industrie-4.0-Tests laufen, arbeiteten nur mit überschaubaren Geräte- und Sensorzahlen. Es sei jedoch etwas anderes, ob ein Auto und eine Ampel als Verkehrsmodell verwendet werden, oder ob Tausende möglicherweise autonome Fahrzeuge pro Tag eine durch mehrere Ampeln gesteuerte Kreuzung überqueren, und dabei möglicherweise mehrere Netzprovider reibungslos zusammenarbeiten müssten. So sei durchaus möglich, dass für verbreitetes autonomes Fahren oder flächendeckend intelligent vernetzte und gesteuerte Stadt-Infrastrukturen die Austauschlinks zwischen Providern schlicht nicht ausreichen.
Fazit
Es bleibt spannend bei 5G, auch wenn die ersten Prototypen in der echten Welt durchaus ermutigende Resultate erbringen. Der Weg bis zum flächendeckend 5G-vernetzten Deutschland dürfte jedenfalls noch sehr lang werden. Was geschieht, wenn einige der Erwartungen nicht realisierbar sind? Keine Sorge, die intelligente Fabrik lässt sich anscheinend auch ohne 5G zum Laufen bringen. Dies beweist etwa Rittal mit seiner neuen Produktionsanlage für Schaltschränke im mittelhessischen Haiger. Sie arbeitet rundum vernetzt und voll automatisiert nach Industrie-4.0-Prinzipien. Gefunkt wird dort vor allem mit WLAN-Technik für das industrielle Umfeld.
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