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Was 5G für das Internet der Dinge bringt


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TecChannel Compact - epaper ⋅ Ausgabe 11/2021 vom 02.11.2021

IoT-Potenziale

IoT Connectivity

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Mit steigender Verfügbarkeit und der Kommerzialisierung von bereits in Vorbereitung befindlichen, verbesserten Releases könnte 5G dem heute schon boomenden Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) einen noch größeren Aufschwung bescheren. „Das für 5G verfügbare, größere Spektrum erhöht die Gesamtbandbreite und ermöglicht die Anbindung einer enormen Anzahl von IoT-Geräten“, erklärt Michelle Engarto, Vice President Wireless Solutions & Product Line Management bei Corning, ein Unternehmen, das unter anderem Antennensysteme für die 5G-basierte Indoor-Vernetzung herstellt.

Laut Steve Szabo, Vice President Wireless, IoT und Partnerschaften beim TK-Anbieter Verizon Business, verfügt 5G über mehrere Eigenschaften, die das Potenzial haben, Branchen und die Konnektivität insgesamt umzukrempeln. Eine davon ist die ultrahohe Bandbreite. „Nur um Ihnen ein Gefühl dafür zu geben, ...

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... wozu 5G in der Lage ist: Wir haben in Versuchen mit Herstellern bis zu 4 Gbit/s Spitzendurchsatz gemessen, mit dem Potenzial, 10 Gbit/s zu erreichen“, so Szabo.

Eine andere Eigenschaft ist die hohe Sensordichte für die Datenerfassung, so der TK-Experte. Diese ermögliche die Digitalisierung von Fabrikhallen und sorge für mehr Visualisierung und Produktivität, ohne dass eine komplexe Verkabelung oder veraltete Technologie verwendet werden müssten. „Bei einer hohen Sensordichte geht es darum, Tausende oder gar Millionen von Sensoren zu platzieren und sie für Funktionen wie Asset Tracking oder Warnmeldungen zu nutzen“, sagt Szabo: „5G im Millimeter-Wave-Bereich ist für Millionen von Sensoren ausgelegt und tatsächlich in der Lage, eine Million vernetzte Geräte pro Quadratkilometer zu verwalten.“ Über Multi-Access Edge Computing (MEC), das die Verarbeitung der Workloads an den Netzwerkrand verlagert, ermögliche 5G außerdem eine extrem niedrige Latenzzeit.

Internet der Dinge: Wo 5G helfen kann

Wann und wie stark 5G das Internet der Dinge vorantreibt, hängt zum großen Teil vom Anwendungsfall ab. Zu den Hauptmerkmalen von 5G gehören laut Gartner-Analyst Bill Menezes ein deutlich höherer Datendurchsatz (enhanced Mobile Broadband – eMBB), die Unterstützung der Kommunikation zwischen einer großer Anzahl von Maschinen oder Geräten ohne menschliche Interaktion oder Kontrolle (massive Machine-type Communication – mMTC), sowie eine äußerst zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz (Ultra Reliable Low Latency Communications – uRLLC). Die extreme Zuverlässigkeit der Technologie ergibt sich dabei aus der Fähigkeit, eine festgelegte Dienstgüte oder „Echtzeit“-Kommunikation zu bieten – im Gegensatz zu den „bestmöglichen“ Datenlieferungen von Ethernet-basierten Technologien wie Wi-Fi, so Menezes. Darüber hinaus erreiche 5G in künftigen Releases eine theoretische Latenzzeit von weniger als einer Millisekunde – im Gegensatz zu den für aktuelle WLAN-Deployments typischen 20 bis 40 Millisekunden Verzögerung.

All diese Attribute „sind für das IoT relevant, aber wie stark, hängt von den Anforderungen eines IoT-Endpunkts und der Anwendung ab“, erklärt der Gartner-Analyst. Als Beispiel nimmt er eine Implementierung mit einer hohen Anzahl von Endpunkten mit geringem Stromverbrauch und einer Anwendung, die keine hohen Datengeschwindigkeiten oder weniger als 10 Millisekunden Latenzzeit benötigt, um richtig zu funktionieren. Ein solches Szenario werde hauptsächlich von der zukünftigen Fähigkeit von 5G profitieren, NarrowBand-IoT-Verbindungen (NB-IoT) mit einer Gerätedichte von theoretisch bis zu einer Million Endpunkten pro Quadratkilometer zu unterstützen, sagt Menezes.

5G könnte aber auch Implementierungen mit wenigen Geräten unterstützen, die viel Bandbreite benötigen. „Ein Anwendungsfall, bei dem Überwachungskameras eingesetzt werden, setzt eher auf den hohen Durchsatz und die geringe Latenz von 5G, da diese Eigenschaften ultrahochauflösende Echtzeit-Videos ermöglichen“, so Menezes.

Laut Menezes gehören die Automobilindustrie, die verarbeitende Industrie (Smart Factories), das Baugewerbe und Sektoren mit natürlichen Ressourcen wie Bergbau sowie Öl und Gas zu den Branchen mit 5G-Möglichkeiten für IoT. „Aber die Anforderungen sind breit gefächert und werden je nach An wendungsfall variieren“, sagt er. Allerdings sei 5G ist nicht für alle IoT-Netze die beste Wahl. Unternehmen werden weiterhin eine Vielzahl von Connectivity-Möglichkeiten nutzen, darunter Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee und 4G NB-IoT, so der Gartner-Mann. „Unternehmen müssen abschätzen, welche Performance-spezifischen Eigenschaften ihre Implementierung erfordert, die die anderen Plattformen in dem benötigten Einsatzszenario nicht bieten können“, sagt er.

IoT-Geräte: 5G vs. WLAN

Laut Corning-Managerin Engarto werden IoT-Geräte heute meist noch per Kabel angeschlossen. „In einigen speziellen Gebieten kann auch WLAN eine gewisse Rolle spielen“, so Engarto, dies sei aber nicht immer ideal. „Mit 5G können viel mehr Sensoren installiert werden, ohne dass für jedes ein Kabel und eine Leitung benötigt werden“, sagt sie.

Aber die neue Wireless-Technologie „wird nur eine von vielen Netzwerklösungen sein, die entwickelt wurden, um den vollen Bedarf des IoT zu decken“, sagt IDC-Analyst Patrick Filkins. Zwar sei 5G eine Art Schweizer Taschenmesser für das IoT und das in einer einzigen Plattform, so der Experte für IoT und mobile Netzwerkinfrastruktur, aber: „Einige Unternehmen benötigen möglicherweise nicht die gesamte Bandbreite an 5G-Funktionen. In vielen Fällen, wie zum Beispiel bei LPWAN (Low Power Wide Area Network), kann man die Konnektivität durch Alternativen wie LoRaWAN erreichen.“

In dichten IoT-Szenarien mit kürzeren Reichweiten würden auch Wi-Fi 6 und Wi-Fi HaLoW eine Rolle spielen, fügt Filkins hinzu, wobei aber die Zuverlässigkeit etwas leide. „5G ist eine Verbesserung gegenüber LTE, wenn es darum geht, Kommunikation ohne Ausfallzeiten zu realisieren“, erklärt Filkins. So seien neue Technologien integriert, die fast keinen Paketverlust mehr ermöglichen, wie Beamforming, Fast Failover (redundante Infrastruktur und Topologien) und Software-defined Networking. Darüber hinaus nutze 5G fortschrittliche Techniken, um die Dienstgüte (Quality of Services – QoS) sicherzustellen, so Filkins. „Dies gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit in 5G-Umgebungen von Carriern.“

Im Gegensatz dazu hänge die Zuverlässigkeit von Wi-Fi vor allem stark von der Reichweite ab, sagt Filkins. „Sie können vielleicht ein bestimmtes Servicelevel garantieren, aber mit ziemlicher Sicherheit nur für einen kurzen bis mittelgroßen Radius“, sagt er. Ein anderes Handicap sei der lizenzfreie Frequenzbereich von WLAN: Je mehr Kanäle gemeinsam mit anderen genutzt werden, desto größer werde das Potenzial für Störungen. Der Einsatz von Wi-Fi 6 helfe zwar bei der Zuverlässigkeitsproblematik, indem es Funkspektren bündeln kann, so Filkins, aber selbst mit diesen Verbesserungen gebe es immer noch das Frequenzproblem an sich.

Aus Sicht des Gartner-Kollegen Menezes sind Bereitstellungskosten, Reichweite, Interferenzen und die Eigenschaften von IoT-Geräten allesamt Faktoren, die bei der Ermittlung der richtigen Connectivity-Lösung berücksichtigt werden sollten. „Begründen Sie die Entscheidung für eine Technik mit den Anforderungen an die Netz-Performance“, sagt Menezes. „Wenn also ein Endpunkt oder eine Anwendung keine 5G-Leistung benötigt, um wie erforderlich zu funktionieren, hilft das, die Auswahl einzuschränken. So könnten Wi-Fi 6 oder Zigbee für einige Elemente in der Steuerung eines Smart Buildings perfekt geeignet sein, seien aber unbrauchbar, wenn es um einen hochmobilen Einsatz in einem großen Areal geht, so der Gartner-Mann. Andererseits könnte der Einsatz von gebräuchlicheren Technologien wie Bluetooth, Zigbee, RFID oder WLAN für die Vernetzung deutlich kostengünstiger ausfallen.

In einigen Fällen, wie zum Beispiel bei der Heimvernetzung, ist Wi-Fi in der Regel für IoT sinnvoller als Mobilfunk, bestätigt Shree Dandekar, Vice President Global Product Organization beim Konsumgüterhersteller Whirlpool, der IoT-Services wie vernetzte Küchen- und Waschmaschinen anbietet. Es sei unwahrscheinlich, dass die 5G-Technologie daran etwas ändert, so Dandekar. „Selbst die billigste Mobilfunktechnologie, NB-IoT oder LTE-M, ist deutlich teurer als WLAN“.

In den Whirlpool-Fabriken stellt sich die Situation hingegen ganz anders dar. „Diese Umgebung kann wegen der vielen Geräte und Maschinen eine Herausforderung für Wi-Fi sein – es gibt eine Menge Metall, das ein WLAN-Signal stören kann“, sagt Michael Berendsen, IT-Leiter bei Whirlpool. Das Unternehmen testet 5G in einigen seiner autonomen Fahrzeuge in einer Waschmaschinenfabrik in Ohio, „weil wir glauben, dass 5G eine bessere Abdeckung bieten und in einem so großen Raum konsistenter sein könnte“, sagt Berendsen.

5G: Network Slicing für bessere Leistung und mehr

Die TK-Anbieter wiederum gehen davon aus, dass ihre Netze mit der zunehmenden Reife von 5G immer fortschrittlicher werden – was im Anschluss mehr Möglichkeiten für das IoT eröffnen wird. „Mit der Weiterentwicklung des Netzes und der verbesserten Modellierung von Edge-Strukturen mit SDN (Software-defined Networking) wird sich die Bandbreite weiter erhöhen“, prophezeit Jason Inskeep, Direktor des 5G Center of Excellence bei AT&T Business.

Eine weitere, mit Spannung erwartete Funktion von 5G sei das Network Slicing, so Inskeep, da dieses dedizierte Ressourcenblöcke im Radio Access Network (RAN) erlaubt. Auf diese Weise erhielten Mobilfunknetze die Eigenschaften von MPLS-Netzen (Multiprotocol Label Switching), „was noch höhere Leistung und damit Technologien wie autonome Fahrzeuge oder über den Horizont fliegende Drohnen ermöglicht“, sagt er. 5G „könnte in jedem Slice des Mobilfunknetzes bestimmte Schwellenwerte für die Performance aufrechterhalten, eine Eigenschaft, die bislang nur auf der drahtgebundenen Seite verfügbar ist“, sagt Inskeep.

„Autos und Drohnen sammeln eine Menge Daten, die schnell verarbeitet werden müssen, um sie nutzen zu können“, so Inskeep. Die Geschwindigkeit und die geringere Latenz, die 5G und Edge Computing end-to-end bieten, in Kombination mit dem Netzwerk-Slicing, das den Daten einen eigenen Kanal bietet, werden dazu beitragen, dass die Daten in wesentlich kürzerer Zeit wieder auf das Gerät gelangen.

Wenn 5G Network Slicing für IoT-Szenarien bereitsteht, „wird man sehen, welche Vorteile eine 5G-Plattform als Ganzes bietet, insbesondere in Organisationen mit vielen parallel ablaufenden Anwendungsfällen“, sagt Filkins. „Ein Network Slice könnte einer LPWAN-IoT-Initiative gewidmet werden, während ein anderes Endpunkte anbinden könnte, die eine extrem niedrige Latenzzeit benötigen“, so Filkins. „Mit 5G schaffen Sie theoretisch eine einzige Plattform, die in der Lage ist, gleichzeitig verschiedene IoT-Anwendungsfälle zu adressieren, die bislang einzeln über drahtgebundene und drahtlose Verbindungen liefen. In Hinblick auf die Management- und Betriebskosten sollte dies für Unternehmen, die mit IoT die Wertschöpfung steigern wollen, überzeugend sein“, sagt Filkins.

Weitere künftige Verbesserungen des 5G-Standards betreffen die Möglichkeit, mehr Sitzungen pro Funkzelle und Quadratkilometer abzuhalten, sagt Inskeep. „Die Zahl wächst exponentiell, wenn wir uns in Richtung 5G zubewegen, daher kann die Dichte der Endpunkte zunehmen“, sagt er. Die Resultate seien ein intelligenteres Ökosystem und eine höhere Funktionalität des IoT.

„Wenn es um IoT geht, kratzen wir nur an der Oberfläche, was die Leistung von 5G betrifft. Das Potenzial von 5G ist immens und ermöglicht Anwendungsfälle, die es heute noch nicht gibt. Zum Beispiel wird ein 5G-Netz potenziell mehr als zwei Millionen angeschlossene Sensoren pro Quadratmeile unterstützen“, so Szabo. „Die Zusammenarbeit in einer virtuellen 3D-Umgebung könnte Ingenieuren, Designern und Marketing-Teams dabei helfen, Entwürfe für neue Produkte nahezu verzögerungsfrei zu vergleichen.

Zukünftige Iterationen von 5G (Releases 16 und 17) ent- halten viele der Spezifikationen, die für fortgeschritte- nes NB-IoT, ultra-niedrige Latenz und Network Slicing relevant sind und sich damit für verschiedene Arten von IoT-Anwendungsfällen eignen, erklärt Gartner-Analyst Menezes. „Organisationen, die auf 5G als primäre oder komplementäre Ressource setzen, müssen ihre Roadmap für geplante IoT Use Cases oder -Anwendungen – beziehungsweise für Performance-Updates bestehender IoT-Implementierungen – mit der entsprechenden kommerziellen Verfügbarkeit von 5G-Diensten und -Infrastruktur abstimmen“, sagt Menezes.

„5G wird für explosionsar tiges Wachstum sorgen“

Aus Sicht von Experten könnten die laufenden Fortschritte bei 5G dazu beitragen, IoT-Initiativen voranzutreiben. „5G wird für ein explosionsartiges Wachstum von IoT-Geräten auf dem Markt sorgen“, prophezeit Corning-Managerin Engarto. „Die ultra-niedrige Latenzzeit von 5G ebnet den Weg für neue Anwendungsfälle wie Augmented und Virtual Reality und eröffnet neue bahnbrechende Möglichkeiten bei der Digitalisierung vertikaler Bereiche wie Gesundheitswesen, Smart Manufacturing und Bildung“, sagt sie. „Sie könnte außerdem eine Schlüsselrolle beim Aufbau von Smart Cities spielen, was Verkehr, öffentliche Sicherheit und sogar Ein- zelhandel betrifft.“

Gartner-Analyst Menezes wiederum rechnet damit, dass massive Machine-type Communication in Verbindung mit der bevorstehenden Integration von NB-IoT-Features in 5G IoT-Deployments weiter fördern könnte. Zu diesen könnten Smart Cities gehören, die mit anderen mobilen, drahtlosen Technologien wie 4G LTE oder LAN-Wireless wie Wi-Fi weniger skalierbar sein könnten, so Menezes.

„In kommenden Releases hat 5G die Fähigkeit, wesentlich mehr Geräte in seinem Versorgungsgebiet zu unterstützen“, sagt Menezes. „Außerdem kann es in mittleren und niedrigen Frequenzbereichen weiter senden und damit größere Gebiete abdecken als WLAN“, so Menezes.

Aus Sicht von Verizon-Business-Manager Szabo wird das Aufkommen von 5G „den Prozess der Ausstattung mit Sensoren erheblich beschleunigen, um den digitalen Wandel in der Industrie voranzutreiben“. „Massive IoT kann bis zum Zwölffachen der Sensordichte unterstützen und Technologien wie NB-IoT werden sich weiterentwickeln. Nimmt man die Erfassung der generierten Daten zusammen mit Cloud-basierten Funktionen wie Digital Twins, ermöglicht das nahezu in Echtzeit Simulationen, Bewertungen, Vorhersagen und Maßnahmen.“

Bei IoT geht es darum, die technologischen Möglichkeiten zur Verbesserung von Geschäftsabläufen zu nutzen“, sagt Filkins. „Niemand startet ein IoT-Projekt, nur um eine neue Technologie einzusetzen“, so der IDC-Analyst.

Bob Violino

Bob Violino arbeitet als freier IT-Journalist für InfoWorld und Network World in den USA.