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LEAD Innovation Blog

Warum Industrie 4.0 robuste Netze und neue Mobilfunkstandards braucht

Industrie 4.0 robuste Netze

Mobilfunknetze sind fürs Telefonieren und die mobile Übertragung von Daten gebaut. Wenn es um das Vernetzen von Maschinen (M2M) oder Dingen (Internet of Things) geht, sind andere Qualitäten gefragt. Lesen Sie in diesem Blogbeitrag, warum Industrie 4.0 robuste Netze braucht und welche neuen Mobilfunkstandards dafür zur Verfügung stehen.

Als Nutzer eines Smartphones wissen Sie selbst: Abgebrochene Telefongespräche oder langsame mobile Datenverbindungen gehören zum Alltag. Daran hat auch der schnelle und leistungsfähige LTE-Standard (4G) leider nichts geändert. Wie auch: Die Anforderungen ans Mobilfunknetz steigen rapide an. So verbraucht etwa ein durchschnittlicher Kunde des Mobilfunkers 3 pro Monat 2,7 Gigabyte. Das sind um knapp 70 Prozent mehr als noch vor einem Jahr. Seit Herbst 2015 gibt es auf dieser Erde bereits mehr Mobilfunkanschlüsse als Menschen. Und nun sollen auch noch Maschinen und Geräte übers Web verbunden werden: Dem Marktforschungsunternehmen Gartner waren 2016 bereits mehr als 6 Milliarden Geräte mit dem Internet verbunden, bis 2020 soll die Zahl auf rund 21 Milliarden steigen.

 

M2M und IoT benötigen neue Verbindungsqualitäten

Industrie 4.0 auf Basis der bestehenden Netzinfrastruktur zu realisieren, ist deshalb weder möglich noch denkbar. Die Anforderungen von Geräten und Maschinen würden das Netz nicht nur über Gebühr belasten. Industrie 4.0 und das Internet der Dinge stellen auch andere Anforderungen an die Infrastruktur als menschliche Nutzer:

 

  • Die Verbindung muss stabil und ausfallsicher sein. Anlagen oder Geräte, die plötzlich nicht mehr erreichbar sind, wären ein zu großes Risiko. Parallel dazu aufgebaute Sicherheitsnetze wären indes zu teuer und eine Themenverfehlung. Sie schleppen ja auch keinen Festnetzanschluss mit sich herum, um bei einem Ausfall des Mobilfunknetzes dennoch erreichbar zu sein. 
  • Das Netz und deren Komponenten müssen mit sehr wenig Energie auskommen. Ein Landwirt, der Sensoren vergräbt, um die Feuchtigkeit des Bodens zu messen, will diese nicht alle zwei Wochen wieder ausgraben müssen, um deren Batterien zu wechseln.
  • Die Verbindung selbst muss Gebäude durchdringen können. Herkömmliche Mobilfunktechnologie kapituliert bekanntlich oft vor dicken Mauern und tiefen Kellern. Doch gerade dort befinden sich oft Geräte, die Sie gerne vernetzen wollen, weil die Örtlichkeit auch für Menschen schwer zugänglich ist. Denken Sie dabei etwa an Gas- oder Wasserzähler.
  • Das Signal muss hohe Reichweiten überbrücken können. Wenn Sie Container, Nutztiere oder auch Mülltonnen ins Web integrieren, dann sollten diese trotz ihrer Beweglichkeit auch immer verbunden bleiben.
  • Das Vernetzen von Geräten sollte sowohl bei der Installation als auch beim Betrieb möglichst günstig sein. Da der Charme von Industrie 4.0 gerade im Verbinden von vielen Komponenten liegt, wäre ein hoher Preis für Hardware und Datenverbindung hinderlich. Oft übertragen die vernetzten Geräte ja auch bloß wenige Datenmengen. Denken Sie etwa Sensoren, die die Windgeschwindigkeit auf einem Windrad messen.
  • Die Latenzzeit, oder besser gesagt Reaktionsgeschwindigkeit des Mobilfunknetzes ist bei manchen Industrie 4.0 Anwendungen nicht von Bedeutung. Denn ob Sie auf den Füllstand eines Wassertanks ein paar Millisekunden mehr oder weniger warten müssen, ist nicht von Belang. Kritisch wird die Latenzzeit aber etwa bei Virtual Reality Anwendungen. Denn wenn ein entfernter Server zu lange braucht, um auf die Kopfbewegungen des VR-Brillenträgers zu reagieren, dann wird diesem übel. Weil das Bild mit seinen Bewegungen nicht zusammenpasst.

 

NB-IoT passt sich den Anforderungen der Maschinen an

Im Sommer 2016 hat das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) einen neuen Mobilfunkstandard abgesegnet, mit dem sich einige der oben beschriebenen Hürden überwinden lassen. Denn Narrowband IoT oder kurz NB-IoT bietet einige Eigenschaften, die in der Industrie 4.0 äußerst gefragt sind:

  • Weil das Sende- und Empfangsbudget bei NB-IoT um 20 Dezibel höher als jenes von GSM ist, erreicht der neue Standard eine exzellente Gebäudedurchdringung. Zu vernetzende Geräte im Keller stellen also ebenso wenig ein Problem dar wie Sensoren unter der Erde.
  • Die Kosten sowohl für das Modem (etwa fünf Euro) als auch für die Datenübertragung sind sehr gering. Denn gerade bei Industrie 4.0 Anwendungen ist oft nur die Übertragung weniger Daten und auch keine ständige Verbindung notwendig.
  • NB-IoT geht zudem sehr sparsam mit Energie um. Ein Sensor kann dabei mit zwei handelsüblichen AA-Batterien 10 Jahre lang betrieben werden. Das ist äußerst praktisch: Denn Sensoren befinden sich oft an sehr schwer zugänglichen Orten.  
  • Weil NB-IoT auf 3GPP-Standards basiert und die Technologie in bestehenden Netzen im lizenzierten Spektrum betrieben werden. Dadurch sind Stabilität, Zuverlässigkeit und Zukunftssicherheit gewährleistet.
  • NB-IoT erreicht eine sehr hohe Reichweite von mehr als zehn Kilometern. Dadurch ist auch eine besser Versorgung von bisher unterversorgten Gebieten möglich. Gleichzeitig wird das Tracking von beweglichen Dingen wie etwa Containern leichter. 
  • Eine Funkzelle kann über NB-IoT bis zu 100.000 Geräte vernetzen. Zum Vergleich: Die Kapazität einer LTE Funkzelle liegt bei bis zu 200 aktiven Teilnehmern.
  • NB-IoT kann in bestehenden Mobilfunknetzen betrieben werden. Neue Sendemasten sind also nicht notwendig. Das Upgrade der Infrastruktur ist relativ schnell und einfach möglich: Die Deutsche Telekom etwa hat ihre Infrastruktur durch ein Software-Update NB-IoT-fähig gemacht.

Der Mobilfunkstandard für das Internet der Dinge wird auch schon sehr bald verfügbar sein. Europas größtes Telekommunikationsunternehmen, die Deutsche Telekom, plant einen kommerziellen Start bereits im zweiten Quartal 2017. Die Technik soll aber auch schon bald in Österreich flächendeckend ausgebaut werden.

 

5G wird alle Bedürfnisse abdecken

NB-IoT ist allerdings nicht für alle M2M- oder IoT-Anwendungen gemacht. Use-Cases wie Autonomes Fahren oder auch Fern-Operationen machen es etwa notwendig, dass Daten nahezu in Echtzeit übertragen werden. Die Latenzzeiten von NB-IoT von 1,6 bis 10 Sekunden eignen sich dafür wahrlich nicht. Benötigte Werte von unter einer Millisekunde bietet allerdings ein anderer Mobilfunkstandard, an dem bereits fieberhaft gearbeitet wird: 5G. Die nächste Generation des Mobilfunknetzes soll im Jahr 2020 kommen. NB-IoT ist hier quasi ein Zwischenschritt, der der Industrie 4.0 robuste Netze zur Verfügung stellen soll. Ein Zwischenschritt, der aber schon bald auch den Autofahrern das Leben erleichtern können wird. T-Mobile Austria nutzt NB-IoT gerade für eine Smart-Parking-Feldversuch. Im Echtbetrieb soll diese den Autofahrern die Parkplatzsuche erheblich erleichtern.

 

Fazit: Warum Industrie 4.0 robuste Netze und neue Mobilfunkstandards braucht

Wenn die Technik ausfällt, dann können Menschen improvisieren. Maschinen können das nicht. Darum sind für die Industrie 4.0 robuste Netze ein wichtiges Erfolgskriterium. Bisher haben die Mobilfunker die Konstruktion ihrer  Kommunikationsnetze auf die Bedürfnisse menschlicher User ausgerichtet. Die Versorgung von möglichst vielen Usern mit einer möglichst schnellen und leistungsfähigen Infrastruktur standen dabei im Vordergrund. Wenn es um die Vernetzung von Maschinen und Dingen geht, sind jedoch andere Qualitäten gefragt. NB-IoT soll einen Teil davon bereits recht bald abdecken. 5G, das alle Stückerln spielt, weil es eigentlich aus mehreren verschiedenen Netzen besteht, wird aber auch nicht mehr lange auf sich warten lassen.

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Topics: Elektrik, Elektronik und Sensorik Innovationen