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Industrie-Netzwerke / 5G: Wo es bei 5G noch hakt

5G in der Automation – ein derzeit heiß gehandeltes Thema. Wie schnell ist ein industrieller Einsatz von 5G tatsächlich zu erwarten? Welche Hemmnisse gilt es noch auszuräumen? Thomas Schildknecht fasst im Interview wesentliche Punkte zusammen.

5G Bildquelle: © Computer&AUTOMATION

Herr Schildknecht, 5G ist derzeit in der Einführungsphase – zumindest wenn man den Aussagen der Mobilfunk-Anbieter Glauben schenken darf. Wie schnell bekommen wir 5G auch in der Fabrik? 

Thomas Schildknecht: Mitte Juli besuchte ich die VDI-Fachkonferenz 5G in der Automation in Baden-Baden. Sehr aufschlussreich war das Stimmungsbild, das man dort bei Anbietern und potenziellen Anwendern aufnehmen konnte. Und gerade was die Verfügbarkeit von 5G in der Industrie angeht, gab es auf der Konferenz einen sehr wichtiger Themenblock. Dieser hatte die technischen Einzelheiten der Parameter der Dienste uRLLC – ultra-Reliable Low-Latency-Communication – und mMTC – massive-MachineType-Communication – sowie der Möglichkeit, separate Campusnetze aufzubauen, zum Inhalt. Die interessierten Endanwender mussten zu ihrer großen Enttäuschung zur Kenntnis nehmen, dass diese Services erst mit dem im Jahr 2020 erwarteten Release 16 definiert werden. Erst danach können die Basisband-Hersteller mit der finalen Spezifika-tion der zugehörigen Chips beginnen! Und bis dann erste integrationsfähige OEM-Module auf den Markt kommen, werden nochmals rund zwei bis drei Jahre vergehen. Die Konsequenz ist: 5G-Lösungen für Automatisierungsgeräte werden wohl erst ab 2023 verfügbar sein!

Sprechen denn wenigstens die Mobilfunk-Anbieter und die Automatisierer eine Sprache?

Thomas Schildknecht: Schön wärs! Es gibt zum Beispiel grundsätzliche Missverständnisse zum Thema Latenz. Dieser Begriff wird von den Mobilfunkprovidern und Netzausrüstern verwendet, um die Übertragungszeit eines Datenpaketes über 5G in Campusnetzen mit 1 Millisekunde als angestrebtem Zielwert für das kommende Release 16 zu beschreiben. Für Automatisierer hat dieser Begriff – im Zusammenhang mit Feldbus-Übertragungen etwa über Profinet und/oder künftig über TSN – jedoch eine andere Bedeutung. Bei WLAN beträgt die Latenz übrigens unter 1 Millisekunde bei ungestörten Betrieb, das bedeutet jedoch nicht, dass darüber Profinet mit 1 Millisekunde Aktualisierungszeit realisierbar ist.

In der Feldbus-Technik verwenden wir Latenz als Begriff für die Feldbus-Aktua-lisierungszeit. In kabelgebundenen Echtzeit-Anwendungen darf die Varianz dieses Wertes – der Jitter – bei synchronisierten Antrieben nur wenige Mikrosekunden betragen; selbst bei 5G URLLC wird er jedoch bei einigen 100 Mikrosekunden liegen! 

Der Frequenzbereich, der von Campusnetzen benutzt werden kann, soll laut ak-tueller Vorstellung der Bundesnetzagentur das TDD-Prinzip verwenden. Also eine Art Halbduplex-Zeitslot-Verfahren. Für niedrige angestrebte Latenzzeiten ist eine Halbduplex Datenverbindung aber kontraproduktiv. Die Automatisierer kennen das Problem noch von Profibus, der auch Halbduplex arbeitete. Im Gegensatz dazu kam der Nachfolger Profinet, wo gleichzeitig gesendet und empfangen werden kann, also Vollduplex. TDD dürfte zur Folge haben, dass die Latenzzeit dauerhaft um einige Größenordnungen über den Zielvorgaben liegen wird.

Thomas Schildknecht Bildquelle: © Schildknecht

“5G-Lösungen für Auto­matisierungsgeräte sind nicht vor 2023 zu erwarten!”, so Thomas Schildknecht, CEO der Schildknecht AG.

Welche wichtigen Aufgaben gilt es unbedingt noch zu lösen?

Thomas Schildknecht: Zum vollständigen Erreichen der angestrebten 5G-Parameter müssen noch weitere Technologien wie Beamforming, MIMO-Antennen oder die Nutzung von Millimeterwellen >30 GHz entwickelt werden, um nur einige Beispiele zu nennen. Zu erwarten ist daher, dass die tatsächliche und auch benötigte Leistungsfähigkeit von 5G erst in einigen Jahren voll realisiert und einsatz-fähig sein wird. Aufgabe der Automatisierer bis dahin wird es sein, diejenigen Anwendungsfälle zu identifizieren, für welche 5G bereits ab Release 15 ausreichende Leistungsfähigkeit anbietet.

Macht es dann überhaupt Sinn, sich schon mit dem Thema der privaten 5G-Netze zu beschäftigen?

Thomas Schildknecht: Durchaus! Denn die Möglichkeit zum Aufbau von Campusnetzen wird ab September 2019 – auf Antrag bei der Bundesnetz-agentur – möglich sein. Die Politik hat hier eine mutige Entscheidung für die Industrie getroffen: 100-MHz-Bandbreite im 3,7- bis 3,8-GHz-Band sind für industrielle An-wendungen reserviert und wurden bei der Lizenz-Versteigerung nicht den Mobilfunkprovidern angeboten! Damit können Betriebe auf ihrem Firmengelände eine eigene Basisstation mit 4G-LTE- oder 5G-Technologie errichten und betreiben und für ihre industriellen Prozesse verwenden. Etwa für eine Art Super-WLAN zur IIoT-Vernetzung von mobilen und autonomen Förderfahrzeugen. Möglich sind hier pro Firma zirka 20-MHz-Bandbreite, was einem WLAN-Kanal entspricht. Wenn man hier zum Beispiel 500 AGV per Profinet ankoppeln will, gilt es zu bedenken, dass damit die Ressource voll ausgelastet sein dürfte und mit Latenzzeiten von 2,5 Sekunden zu rechnen sein wird. Der Vorteil ist sicherlich, dass man diese Bandbreite nicht mit anderen Firmen teilen muss und voraussichtlich eine höhere 
Sendeleistung innerhalb einer Fabrikhalle möglich ist. Eine Profinet-Kommunikation würde diese Latenz aktuell nicht tolerieren. Hier muss man dann mit Kniffen arbeiten: Eine Patentumsetzung in unseren Funkgeräten etwa erlaubt trotzdem einen zuverlässigen Betrieb.

Eine technologische Herausforderung wird sein, ob sich auch sicherheitskritische Signale wie Not-Halt über ein Campusnetz zuverlässig übertragen lassen. Profisafe über Profinet oder TSN werden hier geeignete Feldbus-Technologien sein. Erste Versuche dazu laufen auf einem 4G-Campusnetz in der RWTH Aachen im Rahmen des 5GANG-Forschungsprojektes. Wir – die Schildknecht AG – haben beispielsweise schon an einer Ericsson-Basisstation erfolgreich Profisafe über Profinet getunnelt.