5G – Next Level IoT

26.10.2022

“Mist, schon wieder ein Funkloch und kein Internet…” – Ein Satz, den sicherlich jeder von uns schon einmal gesagt oder gehört hat. Er zeigt, welche Relevanz und Wichtigkeit digitale Vernetzung in der heutigen Zeit hat.

Zukunftstechnologien wie beispielsweise das autonome Fahren sind von der ständigen Möglichkeit des Datenaustauschs noch wesentlich abhängiger als wir Menschen. Laser-, Radar- und Ultraschallsensoren, Kameras sowie hochentwickelte Software lassen ein Fahrzeug zwar schon jetzt seine Umgebung vielschichtig wahrnehmen. Damit das Auto aber auch hochkomplexe Situationen meistern kann, muss es diese Daten verarbeiten und mit anderen “Dingen” (Fahrzeug, Straße, Infrastruktur etc.) austauschen können – und das in Millisekunden.

5G-cartoon
Quelle: https://www.cloud-science.de/5g/

Für die Zukunft ist daher der Ausbau der Infrastruktur mit einem hochleistungsfähigen Mobilfunknetz von höchster Bedeutung. Eine Schlüsseltechnologie, die in diesem Zuge immer wieder in den Fokus rückt, ist 5G – die 5. MobilfunkGeneration. Wir möchten in diesem Blogpost eine Übersicht geben was sich hinter diesem neuen Mobilfunkstandard verbirgt und welche Möglichkeiten und Anwendungsbeispiele 5G für die Zukunft bietet.

Die Evolution von 5G

Wo es eine fünfte Mobilfunkgeneration gibt, muss es auch Vorgängergenerationen geben.

5G Evolution
Eigene Darstellung in Anlehnung an Quelle

1G: Die erste Mobilfunkgeneration (1G) startete bereits weit vor den 1980er Jahren, war analog und bestand aus mehreren Funknetzen: A, B und C. Von mobilem Telefonieren konnte damals jedoch nicht die Rede sein, denn die Verbindung musste manuell vermittelt werden und war lediglich für Sprachverbindungen ausgelegt. (siehe Quelle)

2G: Die zweite Mobilfunkgeneration (2G) eröffnete die erste digitale Kommunikationstechnologie. Mit GSM (Global System for Mobile) oder CDMA (Code Division Multiple Access) entwickelten sich zwei parallele Mobilfunkstandards. Wie schon bei 1G, stand auch bei 2G die Telefonie im Vordergrund, wobei hier bereits erste Datenkommunikationen mit sehr niedrigen Geschwindigkeiten für Textnachrichten möglich waren. Der Standard EDGE kann der zweiten Mobilfunkgeneration zugeordnet werden und ist eine seit 2006 eingeführte Weiterentwicklung von GSM. In einigen ländlichen Gegenden Deutschlands ist EDGE bis heute der einzige Mobilfunkstandard, weil hier der Netzausbau mit verbesserten Technologien nie vorangetrieben wurde.

3G: Der Ausbau des UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Netzes begann 2004 – dies war zugleich der Startschuss für die dritte Mobilfunkgeneration. Mit ihr sind Datengeschwindigkeiten bis in den Megabit/s-Bereich möglich. 3G kann damit als die erste Ausbaustufe angesehen werden, die den Weg des Internets auf mobile Endgeräte ermöglichte.

4G: Zum Start im Jahre 2010, setzt die vierte Generation auf die UMTS-Infrastruktur auf und erreicht mit dem Standard LTE (Long Term Evolution) Bandbreiten von über 100 Mbit/s. Mit der Ausbaustufe LTE+ und LTE Advanced sind auch höhere Bandbreiten möglich. 4G ermöglicht damit HD-Streaming, Echtzeit-Audio und Video-Telefonie.

5G: Die seit 2020 verfügbare 5G Technologie sticht insbesondere durch eine höhere Datenübermittlung, verbesserte Kapazität und einem intelligenten Netz heraus (siehe Quelle). Der 5G Standard erreicht eine Bandbreite von bis zu 10 Gbit/s.

Next Level Mobilfunk

Die fünfte Mobilfunkgeneration bietet im Vergleich zu den Vorgängern grundlegende Verbesserungen, die in drei Anwendungsprofile unterteilt werden können. Hierzu gehören eine verbesserte breitbandige Mobilfunkkommunikation (eMBB), eine ultra-zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (uRLLC) sowie eine durchgehend automatisierte Kommunikation (mMTC) (siehe Abbildung).

5G Dreieck
Eigene Darstellung in Anlehnung an Quelle.

eMBB – enhanced Mobile-Broadband

5G Dreieck

Im Mittelpunkt des Anwendungsprofils eMBB steht vor allem eine hohe Datenübertragungsrate und Bandbreite. Anwendungen finden sich hier vor allem im Consumer Bereich (wie beispielsweise Video Streaming oder Gaming) aber auch im Bereich des mobilen Arbeitens, Augmented Reality oder Virtual Reality. (siehe Quelle)

Anforderungen an das Mobilfunknetz:

  • Hohe Datenübertragungsraten
  • Erweiterte Abdeckung

Was bietet 5G:

  • Übertragungsraten von 10 Gbit/s (10x schneller als 4G mit max. 1Gbit/s)
  • Damit ist 5G um das 50 bis 100-fache schneller als 4G (max. 500 Mbit/s) (siehe Quelle)
  • Signalübertragungen mittels Macro Cells (Mobilfunkmasten) und Small Cells (Mobilfunkbasisstationen auf Basis von Kleinzellentechnologien)
  • Insbesondere die Kleinzellentechnologie ermöglicht die Verarbeitung von Frequenzen bis 300 Ghz – Zum Vergleich, LTE kommt auf ca. 700 Mhz bis 2,6 Ghz. (siehe Quelle)

Anwendungsbeispiele:

  • 8K Video Streaming
  • Gaming
  • Virtual Reality (VR)
  • Augmented Reality (AR)
  • Sprach- und Datendienste

 

uRLLC – ultra Reliable & Low Latency5G Dreieck

Der Fokus des Anwendungsprofils uRLLC liegt vor allem auf zeitkritischen Anwendungen, die sehr kurze Latenzzeiten und eine hohe Zuverlässigkeit der Datenübertragung benötigen. Anwendungen finden sich hier vor allem im Bereich des Autonomen Fahrens oder Industrie 4.0. (siehe Quelle)

Anforderungen an das Mobilfunknetz:

  • Geringe Latenz
  • Hohe Verlässlichkeit
  • Hohe Verfügbarkeit
  • Präzise Lokalisierung

Was bietet 5G:

  • 5G hat unter Bestbedingungen eine Latenz von unter 0,5 ms – LTE bewegt sich im Rahmen von 15 bis 50 ms (siehe Quelle)
  • 5G-Netze haben eine Verfügbarkeit von 99,999 % (siehe Quelle)

Anwendungsbeispiele:

 

mMTC – massive Machine-Type Communications5G Dreieck

Das mMTC Profil unterstützt eine hohe Anzahl von vernetzten Geräten aus dem Umfeld der Machine-to-Machine-Kommunikation und des Internet of Things. (siehe Quelle)

Anforderungen an das Mobilfunknetz:

  • Hohe Energieeffizienz mobiler Geräte
  • Hohe Verbindungsdichte
  • Erweiterte Abdeckung

Was bietet 5G:

  • 5G ermöglicht es auf einem km² bis zu 1 Mio. Geräte zu verbinden. 4G-Netzwerke sind dagegen lediglich in der Lage, etwa 100.000 Geräte pro Quadratkilometer zu unterstützen. (siehe Quelle).

Anwendungsbeispiele:

IoT Anwendungsbeispiele für 5G:

Gerade im Bereich Internet of Things eröffnet 5G eine breite Palette an Anwendungsfällen. Beide nachfolgenden Anwendungsbeispiele sind Fokusthemen, bestehender doubleSlash-Projekte.

AR oder VR für Service Techniker (eMBB)

Herausforderung:

Kunden erwarten stets höchste Produktqualität und Ausfallsicherheit ihrer Geräte und Maschinen. Egal ob in der Forschung, Industrie oder Pflege, ein Geräteausfall hat stets unerwünschte Konsequenzen. Strikt vereinbarte Wartungs- und Servicezyklen können diesen zwar entgegenwirken, doch einer dauerhafte Einsicht und Überwachung der Geräte ist damit nicht geholfen. Trotz guter Erfahrungswerte, kommt es vor, dass Service-Termine falsch getaktet sind – zu defensiv (d.h. Gerätekomponenten werden zu früh ausgetauscht) oder noch schlimmer zu optimistisch (d.h. Gerätekomponenten werden erst im Fehlerfall ausgetauscht).

 

Lösung: Remote Services (mit 5G)

Geräte und Maschinen sind vernetzt und liefern Daten in Echtzeit an den Gerätehersteller. Dadurch können die Geräte und Maschinen jederzeit und von überall aus (remote) überprüft und analysiert werden. Durch gezielte prädiktive Algorithmen und entsprechenden Alarmierungen, können Service Techniker:innen bereits im Vorfeld Kontakt zum Kunden aufnehmen und das Problem frühzeitig beheben.

Zusätzliche Erweiterungen:

  1. Augmented Reality: Service Techniker:innen bekommen während der Gerätewartung in Echtzeit Zusatzinformationen oder interaktive Handlungsempfehlungen über eine AR-Brille eingespielt, die es erleichtern, das Kundenproblem schnellstmöglich zu beheben.
  2. Virtual Reality: Mit Hilfe von VR-Brillen können Service Techniker:innen gar remote Services durchführen oder durch virtuelle Simulationen geschult werden.

5G bietet insbesondere im AR und VR Bereich, durch die hohe Auflösung und die dreidimensionale Wiedergabe die ideale Grundlage, um diese Anwendungszwecke zu erfüllen. (siehe Quelle)

 

5G – Der Wegbereiter für die Zukunft

5G ist als neuer, schnellster Mobilfunkstandard bereits jetzt Teil der Lebensrealität vieler Menschen. Als direkte Konsumen:innen erfreuen wir uns dabei schnellster Download- und Datenübertragungsraten, insofern ein 5G-fähiges Smartphone und auch die benötigte Netzabdeckung vorhanden sind.

Mit der 5G Mobilfunktechnologie ist zudem die gewünschte Kommunikationsinfrastruktur geschaffen, die es ermöglicht, Internet of Things Use Cases auf ein neues Level zu heben. Ob Augmented Reality, Virtual Reality, autonomes Fahren, oder Smart Factories – viele der genannten Anwendungsszenarien im Bereich IoT bergen entscheidende Zukunftspotenziale. Sie mögen heute vielleicht noch nicht den finalen Durchbruch geschafft haben, stehen aber längst in den Startlöchern. 5G wird den Weg ebenen, sich bald schon auf breiter Masse zu etablieren.

Wir bei doubleSlash freuen uns darauf, da wir genau in diesen Zukunftsthemen aktiv sind. Gemeinsam mit unseren Kunden explorieren, entwerfen und implementieren wir IoT-Lösungen, die unsere Kunden auf den Weg zur Digitalisierung voranbringen und zugleich die Welt besser machen.

 

Mehr Informationen rund um das autonome Fahren

Co-Autor Marc Friedrich

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