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Die Einführung des 5G-Kommunikationsnetzes war aus mehreren Gründen ein mit Spannung erwartetes Ereignis in der Industriegemeinschaft. 5G wird das erste Mainstream-Mobilfunknetz sein, das für den Industriesektor gebaut wird, im Gegensatz zu seinen Vorgängern, die sich stark auf die zellulare Vernetzung konzentrierten. Um die Bedeutung eines Mobilfunknetzes für den industriellen Sektor zu verstehen, ist ein Vergleich zwischen dem, was durch die vorherige Iteration (4G) verfügbar war, und 5G der richtige Ausgangspunkt.
Um die von der Industrie 4.0 versprochene industrielle Automatisierung zu erreichen, ist ein echtzeitnaher Austausch von Daten erforderlich. Beim Datenaustausch kann es sich entweder um Maschine-zu-Maschine- oder Maschine-zu-Cloud-Datenübertragungen handeln. Was jedoch eine erfolgreiche Übertragung gewährleistet, ist ein Netzwerk, das Übertragungen mit geringer Latenz und hoher Bandbreite garantiert.
Weitere Überlegungen beim Vergleich von Netzwerkoptionen sind die Fabrikumgebung und ihr Standort. Die industrielle Umgebung lässt sich als Umgebung mit verstärkten Wänden und elektromagnetischen Wellen als Nebenprodukte des industriellen Prozesses definieren. Verstärkte Wände und abgelegene Anlagen gehören zu den hinderlichen Faktoren beim Versuch, ein drahtloses Netzwerk in industriellen Umgebungen zu nutzen.
4G-Netzwerke sind zentralisiert und verlassen sich auf große Masten oder Stationen, um die drahtlose Kommunikation bereitzustellen, die sie definiert. Die zentralisierte Natur von 4G bedeutet, je weiter eine Einrichtung von einer Netzwerkinfrastruktur entfernt ist, desto unzuverlässiger ist der Datentransferprozess. 4G hatte auch Probleme mit der Bereitstellung von Datenübertragungen mit niedriger Latenz und hoher Bandbreite über große Entfernungen und durch verstärkte Wände. Viele Anlagen setzten weiterhin auf kabelgebundene Netzwerke, da diese im Vergleich zu 4G-Funknetzen mehr Stabilität boten.
Die Prämisse für die Entwicklung von 5G-Netzwerken war es, alle Engpässe zu beseitigen, die mit der Anwendung von 4G innerhalb der Fabrikhalle verbunden sind. Angefangen bei der Zentralisierung: Im Gegensatz zu 4G ist 5G nicht auf einen zentralen Mast oder eine zentrale Station angewiesen. Stattdessen werden diese Netze von dezentralen 5G-Boxen oder Zellstandorten bereitgestellt, die an abgelegenen Orten und damit näher an Industrieanlagen installiert werden können. Diese Zellstandorte sind kleiner und verbrauchen deutlich weniger Strom als die durchschnittliche 4G-Station, wodurch sie einfacher eingerichtet werden können.
Durch die Nutzung von kompakten Zellstandorten und einer dezentraleren Infrastruktur bietet 5G eine breitere und kostengünstigere Möglichkeit, Anlagen in abgelegenen Gebieten mit Konnektivität zu versorgen. Die Nähe von Mobilfunkstandorten zu Industriezonen und abgelegenen Gebieten bedeutet auch einen zuverlässigeren Zugang zu drahtlosen Netzwerken, der zur Unterstützung von Industrie 4.0-Geschäftsmodellen erforderlich ist.
Für industrielle Anwendungen von drahtlosen Netzwerken sind folgende Kriterien beim Vergleich der drahtlosen Netzwerkoptionen von zwei verschiedenen Generationen zu berücksichtigen:
Spitzengeschwindigkeiten
Dieses Kriterium bezieht sich sowohl auf die Daten-Upload- und Download-Geschwindigkeiten der beiden Netzwerkoptionen als auch auf deren Fähigkeit, Datenübertragungen in Echtzeit zu unterstützen.
4G-LTE-Netzwerke bieten in der Regel Spitzengeschwindigkeiten von ca. 100-300 Mbit/s, je nachdem, wie nahe eine Anlage an einer Netzwerkstation steht. Obwohl diese Geschwindigkeit für die Unterstützung industrieller Prozesse ausreicht, beeinträchtigen die Nähe und die industrielle Umgebung die Zuverlässigkeit. 5G-Netzwerke bieten Geschwindigkeiten von ca. 10-30 Gbit/s, was etwa 10 bis 20 Mal schneller ist als das durchschnittliche 4G-Netzwerk.
Die exponentielle Steigerung der Download- und Upload-Geschwindigkeit, die 5G bietet, um die Zuverlässigkeit der Konnektivität zu gewährleisten, übertrifft das, was 4G und kabelgebundene Verbindungen zu bieten haben.
Latenz
Die Interkonnektivität hängt davon ab, wie schnell und zuverlässig Daten von einem Endpunkt oder einer industriellen Anlage zu einer anderen und umgekehrt übertragen werden. Im Idealfall muss ein zuverlässiges Netzwerk eine niedrige Latenzzeit garantieren.
5G ist derzeit die Definition eines Netzes mit geringer Latenz, das die Datenübertragung in nahezu Echtzeit sicherstellt und damit industrielle Anwendungen unterstützt, die Echtzeitkommunikation erfordern. Verglichen mit der Latenz, die 4G bietet, bieten 5G-Netze eine vier- bis fünfmal schnellere Latenzrate, die die Übertragung großer Datenpakete ermöglicht. Die außergewöhnlich niedrige Latenz, die 5G bietet, ist ideal für die Verwirklichung von Industrie 4.0-Geschäftsmodellen, die auf große Datenübertragungen angewiesen sind.
Konnektivität
Dieses Kriterium konzentriert sich auf die Anzahl der Anlagen oder Geräte, die ein Netzwerk unterstützen kann, bevor es zu Verzögerungen oder einer erheblichen Verringerung seiner Geschwindigkeit und Latenz kommt.
Der Einsatz von industriellem IoT, Edge Computing, intelligenten Geräten und HMIs in Industrieanlagen erfordert ausgedehnte Netzwerke, die Tausende von Geräten unterstützen. 4G-Netzwerke sind in der Lage, etwa hunderttausend Geräte pro Quadratkilometer zu unterstützen, obwohl bei voller Kapazität Latenzprobleme auftreten. 5G-Netzwerke erweitern die Konnektivität, die der Mobilfunk bietet, auf eine Million Geräte pro Quadratkilometer.
5G bietet also einen Konnektivitätszugang von bis zu 10-mal mehr Geräten als 4G unterstützen kann. 5G bietet die umfassende Konnektivität, um die Milliarden von vernetzten Geräten zu unterstützen, die voraussichtlich in Betrieb sein werden, wenn mehr Unternehmen Industrie 4.0 einführen.
Energieeffizienz
Industrielle Betriebe sind auf große Mengen an Energie angewiesen, um optimal zu funktionieren. Die Rechnungen für den Energieverbrauch machen einen erheblichen Teil der Gesamtproduktionskosten einer durchschnittlichen Anlage aus. Ein energieeffizienteres Netzwerk reduziert die Gesamtbetriebskosten.
5G-Netze verbrauchen im Vergleich zu 4G-Netzen 90 % weniger Energie pro übertragenem Datenbit. Die Verringerung des Energieverbrauchs ist recht groß und damit einer der Hauptgründe, warum viele Industrieanlagen die Vorteile von 5G-Netzen nutzen möchten. Geringere Energiekosten führen zu einer Senkung der Produktionskosten, die an die Verbraucher von Industrieprodukten weitergegeben werden können.
Datenvolumen oder Bandbreite
Dies bezieht sich auf die Datenmenge, die ein Netzwerk bei der Übertragung von Daten in Echtzeit unterstützen kann. Der industrielle Prozess produziert große Datensätze, die zuverlässig übertragen werden müssen, um eine vollständige Automatisierung zu ermöglichen.
Dedizierte Industriebereiche scheuten den Einsatz von 4G für umfangreiche Netzwerkanforderungen aufgrund der langsamen Datenübertragungsrate. Stellen Sie sich ein Gebiet mit Hunderten von Industrieanlagen und Tausenden von Assets vor, die auf ein zentralisiertes drahtloses Netzwerk angewiesen sind. Die Datenübertragungsrate wird zwangsläufig von der Menge der Geräte beeinflusst, die seine Dienste in Anspruch nehmen. 5G-Netzwerke wurden entwickelt, um die tausendfache Bandbreite zu bewältigen, die 4G unterstützt.
Schlussfolgerung
5G ist die neue Generation von drahtlosen Netzwerken, die für die öffentliche Nutzung zur Verfügung stehen. Diese 5. Iteration bietet im Vergleich zu 4G einen stabileren, zuverlässigeren und skalierbaren Weg für Industrieanlagen, um ihre Industrie 4.0-Ziele zu erreichen. Die geringe Latenz und die hohe Bandbreite, die 5G garantiert, werden voraussichtlich die treibende Kraft für die Umsetzung von Konzepten sein, die auf Interkonnektivität und den Austausch von Big Data setzen.