Das Versprechen von 5G: Hype versus Realität

Unternehmen sind immer auf der Suche nach Technologien, die dazu beitragen können, ihre Geschäftsprozesse drastisch zu beschleunigen und gleichzeitig die Kosten zu minimieren und die Qualität zu sichern. Geschäftsinnovatoren können davon profitieren, indem sie IoT-Produkte entwerfen, die den Anforderungen der Unternehmen an Schnelligkeit gerecht werden und ihnen gleichzeitig helfen, die Kosten auf ein Minimum zu beschränken.

Die drahtlose Technologie der fünften Generation (5G) ist eine vielversprechende Technologie zum Aufbau von IoT-Lösungen, die eine blitzschnelle, extrem zuverlässige und kostengünstige Machine-to-Machine-Kommunikation ermöglichen.

Aber kann die 5G, die noch im Entstehen begriffen ist, wirklich alle ihre Versprechen erfüllen? Sind ihre "beworbenen" Versprechungen realistisch oder bloßes Geschwafel?

Das 5G-Versprechen

Viele glauben, dass 5G "Sci-Fi-ähnliche" Anwendungsfälle ermöglichen wird, die ältere Generationen der drahtlosen Technologie nicht unterstützen können. Selbst 4G verblasst im Vergleich zu 5G, u.a. in Bezug auf Geschwindigkeit, Latenz und Spektrumsfrequenz (siehe Abbildung 1).

<Abbildung 1: 4G- und 5G-Vergleich, wie beworben. (Bildquelle: Voler-Systeme)

5G hat verschiedene geschäftliche Anwendungsfälle, darunter private Netzwerke für Smart Transportation und hyper-verbundene Gesundheitsfürsorge. Smart Transportation wird neue Dienste ermöglichen, indem es schnelle und zuverlässige drahtlose Kommunikation zwischen intelligenten Fahrzeugen und in Straßen und Schienen eingebetteten Sensoren nutzt. Sie wird eine bessere Sichtbarkeit und Kontrolle über intelligente Transportsysteme ermöglichen.

Im Gesundheitswesen wird erwartet, dass die 5G-Technologie die Ergebnisse und das Wohlbefinden der Patienten durch die Vorhersage potenzieller individueller Gesundheitsprobleme und die Organisation frühzeitiger medizinischer Interventionen verbessern wird. Sie kann dazu beitragen, nachhaltige Gesundheitsdienste durch Anwendungen wie die ferngesteuerte Roboterchirurgie zu ermöglichen. Aus diesem Grund planen zukunftsorientierte Gesundheitsorganisationen wie das Rush Hospital in Chicago, auf 5G-Konnektivität umzustellen.

Die Realität ist jedoch komplexer

Verschiedene Faktoren beeinflussen oder hindern Unternehmen daran, das Potenzial von 5G voll auszuschöpfen. Lassen Sie uns zunächst einige wichtige Grundlagen über 5G diskutieren:

• Frequenzbänder

Die 5G-Leistung stützt sich auf das verfügbare Frequenzband (siehe Abbildung 2). Die Spitzengeschwindigkeit der Daten beträgt zum Beispiel nur bis zu 100 Mbps im Niedrigbandspektrum (unter 1 GHz), bis zu 400 Mbps im Mittelbandspektrum (1 GHz bis 6 GHz) und bis zu 10 Gbps im Hochbandspektrum (6 GHz bis 86 GHz). Das Hochbandspektrum oder Millimeterwellen (mmWave) ist jedoch nur begrenzt verfügbar.

Außerdem senden mmWave-Signale nicht weiter als etwa 100 Meter und können Wände oder sogar Fenster nicht durchdringen. Aufgrund der erforderlichen Dichte von Basisstationen wird es nur in dichten städtischen Gebieten verfügbar sein, aber das Signal wird durch Gebäude blockiert.IoT benötigt jedoch in der Regel nicht die hohe Geschwindigkeit von mmWave.

Abbildung 2: 5G-Spektrum innerhalb dreier Schlüsselfrequenzbänder (Bildquelle: Voler Systems)

• 5G-Dienstklassen

  Die drei 5G-Dienstklassen sind erweitertes mobiles Breitband (eMBB), ultra-zuverlässige und latenzarme Kommunikation (URLLC) und massive maschinelle Kommunikation (mMTC). Jede hat ihre Besonderheiten, Anwendungen und Einschränkungen.

  • eMBB ermöglicht sehr hohe Datenraten, bis zu 10 Gb/sec (20 mal 4G), eine sehr hohe Verkehrskapazität (1 Million Geräte/km²) und eine sehr geringe Luftlatenz (bis zu 4 ms). Zu den Anwendungsfällen gehören Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR). Dies ist die Serviceklasse für intelligente Geräte wie Smartphones, Tablets und UHD-TV (4K und 8K), die ausgestrahlt werden.

    Die Leistung von eMBB hängt jedoch vom verfügbaren Frequenzband ab. Wenn das verfügbare Frequenzband beispielsweise unter 1 GHz liegt, wird die Erfahrung ähnlich wie bei 4G sein (bis zu einer Datenrate von 100 Mb/sec nach unten und 50 Mb/sec nach oben).Die Latenzzeit von 4 ms ist eine Richtung, und zwar nur bis zum nächsten Zellenturm. Die Übertragung über große Entfernungen ist viel langsamer.

  • URLLC ist für vor-Ort-Szenarien wie intelligente Transportsysteme (Infrastruktur-Backhaul), diskrete Automatisierung (Bewegungssteuerung), Prozessautomatisierung (Fernsteuerung) und Stromverteilung (Hochspannung) konzipiert. Es verspricht eine sehr geringe Latenzzeit (bis zu 1 ms) und eine ultrahohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit (99,9999%), was viel besser als 4G ist.

    Aber selbst wenn 5G verspricht, die Leistung von URLLC radikal zu verbessern, bleiben viele Dinge unwahrscheinlich, wie z.B. Remote-Operationen und Hochgeschwindigkeits-Videospiele mit Fernverbindung und Augmented Reality zu Hause. Die von ihr versprochene "Six Nines"-Zuverlässigkeit ist für jede drahtlose Verbindung fragwürdig.

  • mMTC wird einen massiven IoT-Einsatz unterstützen und sehr niedrige Gerätekosten und einen sehr niedrigen Energieverbrauch ermöglichen, was ein attraktives Angebot für intelligente Gebäude, Logistik, Ortung, Flottenmanagement, tragbare Geräte und intelligente Zähler ist.

    Der mMTC-Standard befindet sich noch in der Entwicklung, so dass IoT vorerst von 4G-Standards unterstützt wird: NB-IoT und LTE-M.

5G hält derzeit nicht alles, was es verspricht

Der aktuelle Stand des mMTC ist weit entfernt vom Hype. Gegenwärtig hält 5G nicht alles, was es verspricht. An Standards für mMTC wird noch gearbeitet, und bestehende 5G-Technologien sind nicht für Paketgröße und kurze Sitzungen optimiert. Die Steuersignalisierung ist auch insofern ineffizient, als sie 100 Byte Signalisierung erfordert, um 10 Byte Daten zu senden. Bestehende Kanalcodierungsschemata sind für kleine Datenpakete ebenfalls ineffizient. Die erwartete Batterielebensdauer von 10 Jahren ist nur bei sehr seltenen Meldungen und sehr niedrigen Datenraten möglich.

5G-Verfügbarkeit

Auch die 5G-Verfügbarkeit ist ein entscheidender Faktor. Abbildung 3 zeigt, welche Städte und Fluggesellschaften ab Mai 2020 5G anbieten. Es zeigt, dass der Standort des Benutzers und der Träger, den er benutzt, aus folgenden Gründen einen großen Unterschied machen werden:

• Nur vier US-amerikanische Mobilfunkanbieter setzen 5G ein: AT&T, Verizon, T-Mobile und Sprint
• Zur Verwendung von 5G ist ein 5G-Telefon oder -Gerät erforderlich
• In ländlichen Gebieten gibt es nur wenig Abdeckung
• Es ist unwahrscheinlich, dass eine Hochgeschwindigkeits-mmWellen-Abdeckung jemals in Vorstädten oder ländlichen Gebieten angeboten werden kann, da dies einen Mobilfunkmast alle 300 Meter erfordern würde.
• Einige Fluggesellschaften haben eine begrenzte Geschwindigkeit

Abbildung 3: 5G-Verfügbarkeitskarte
Rot: T-Mobile, Schwarz: Horizont, Blau: AT&T, Gelb: Sprint (Bildquelle: Digitale Trends)

Was ist mit bestehenden IoT-Diensten?

NB-IoT und LTE-M (auch Cat M oder Emtc genannt) werden mit 5G koexistieren. Die NB-IoT- und LTE-M-Abdeckung in den USA ist gut. Im Mai 2019 hat Verizon angekündigt, dass 92% der US-Bevölkerung durch ihr NB-IoT-Netzwerk abgedeckt sind.

Nicht-zellulare Dienste (ZigBee, LoRa, Ingenu, Sigfox und Weightless) sind dagegen nicht in 5G enthalten, werden aber dennoch mit einem unlizenzierten Spektrum funktionieren. Aber sie sind nicht an vielen Orten erhältlich.

Was bedeutet dies für die Zukunft des IoT?

Im Moment gibt es kaum Veränderungen.

Aber die 4G-Technologie, NB-IoT und LTE-M, wird erst seit 2019 ausreichend eingesetzt. Sie ermöglicht es batteriebetriebenen Geräten, direkt mit dem Internet zu kommunizieren, ohne über ein Mobiltelefon oder einen Wi-Fi-Hotspot zu gehen. Die Zeit für diese Technologie ist jetzt gekommen.

Beachten Sie jedoch, dass jeder drahtlose Standard seine Vor- und Nachteile hat (siehe Tabelle 1). Um den richtigen Standard für das Design von IoT-Geräten zu kennen - und kostspielige Fehler und andere IoT-Design-Risiken zu vermeiden - wenden Sie sich an IoT-Design-Experten oder stellen Sie kompetente IoT-Ingenieure ein.

Tabelle 1: Vergleich vorhandener drahtloser IoT-Standards. (Bildquelle: Voler Systems)

Fazit:

IoT-gestützte, 5G-fähige Industrien werden Realität. Aber da 5G noch in den Kinderschuhen steckt, hält es noch nicht alles, was es verspricht. Nichtsdestotrotz ist 5G eine vielversprechende neue Technologie, von der die Unternehmen sicherlich profitieren werden.

Unternehmensinnovatoren können dazu beitragen, 5G-Versprechen Wirklichkeit werden zu lassen, indem sie IoT-Geräte entwerfen, die 5G- oder 4G-fähig, sicher und zuverlässig sind. Dies ist jedoch kein einfaches Unterfangen und erfordert die Hilfe von Experten.

Voler bietet Unternehmen fachkundige Beratung bei der Konzeption und Entwicklung von IoT- und tragbaren Geräten der nächsten Generation. Voler hilft bei der Auswahl der richtigen Technologie für IoT-Geräte und bestimmt die richtige Kombination von Elektronik für garantierte Sicherheit und Zuverlässigkeit. Diskussion mit Voler vereinbaren, um mehr zu erfahren.