Während man noch an der Mobilfunktechnologie 5G feilt, wird bereits an der technischen Machbarkeit von 6G gearbeitet. © Adobe Stock/Oleg Chumakov

Viele der neuen Möglichkeiten, die sich unter den Begriffen „Industrie 4.0“ oder „smarte Fabrik“ zusammenfassen lassen, basieren auf den Chancen, die der Mobilfunkstandard 5G bietet ...

... Doch die ­Umsetzung steht erst am Anfang. Und außerdem zeichnet sich am ­Horizont bereits die Nachfolgetechnologie 6G ab.

Die Mobilfunktechnologie 5G verspricht viel. So etwa unter anderem eine zehn- bis 20-mal höhere Geschwindigkeit als 4G, höchste Zuverlässigkeit bei niedrigster Latenz oder auch die Verbindung zu deutlich mehr Geräten auf demselben Raum. Wie so oft im Leben gilt aber auch hier: Man kann nicht alles haben. Will man die höchsten Datenraten, kann nicht zugleich die Latenz auf dem niedrigsten Niveau liegen. Soll die Latenz wiederum möglichst gering sein, muss man Abstriche bei der Datenrate oder der Anzahl der angebundenen Teilnehmer machen. Das erklärt auch die Unterschiede in Sachen 5G zwischen dem Consumer-Bereich und der industriellen Anwendung.

Mehr Effizienz in der Fertigung
Nichtsdestotrotz bringt 5G in beiden Fällen große Vorteile. Die Fertigungsindustrie beispielsweise darf sich unter anderem auf Effizienzgewinne freuen. Noch befindet sie sich hinsichtlich der Einführung allerdings in weiten Teilen in der Konzeptions- und Planungsphase: Erst 30 Prozent der Industrieunternehmen weltweit testen den Einsatz von 5G oder sind bereits weiter fortgeschritten. Zu diesem Ergebnis kommt das Capgemini Research Institute in seiner Studie „Accelerating the 5G Industrial Revolution: State of 5G and edge in industrial operations“. Mehrere der entscheidenden Merkmale von 5G – wie Edge-Computing, erhöhte Sicherheit oder niedrige Latenz – haben die Erwartungen dieser „Early Adopter“, die mit gutem Beispiel vorangehen, jedoch erfüllt oder übertroffen.

40 Prozent der befragten Industrieunternehmen gehen davon aus, 5G innerhalb der kommenden zwei Jahre an einzelnen Standorten umfassend einzuführen. Testläufe und frühe Implementierungen von 5G erzielen beträchtlichen Geschäftsnutzen: 60 Prozent der Vorreiter sagen, dass 5G zu einer höheren Effizienz im Betrieb beigetragen hat, und 43 Prozent berichten von mehr Flexibilität. Industrieunternehmen sind optimistisch, dass 5G ihren Umsatz steigern wird, indem es die Einführung neuer Produkte, Services und Geschäftsmodelle ermöglicht. 51 Prozent der Fertigungsunter­nehmen wollen 5G in der Produktentwicklung nutzen, und 60 Prozent planen, neue Serviceleistungen auf Basis von 5G anzubieten.

Industrieunternehmen erachten Edge-Computing als essenziell, um das volle Potenzial von 5G zu realisieren. 64 Prozent der Unternehmen planen, Edge-Computing-Services auf der Basis von 5G innerhalb der nächsten drei Jahre einzuführen. Sie erwarten sich davon Optimierungen bei Performanz und Ausfallsicherheit sowie bei Datensicherheit und -schutz. Mehr als ein Drittel der befragten Industrieunternehmen aller Sektoren bevorzugt den Aufbau privater 5G-Netzwerke. Das stärkste Interesse daran zeigen Halbleiter- und Hightech-Hersteller (50 Prozent) sowie der Sektor Verteidigung, Luft- und Raumfahrt (46 Prozent).

„Für die Fertigungsbranche sind 5G und Edge die Schlüssel zur Intelligent Industry: Damit können Hersteller enorme Datenmengen in Echtzeit nutzen – und auf dieser Basis Innovation mit ungeahnter Schnelligkeit vorantreiben“, sagt Ines Ben Brahim, Senior Sales Representative bei Capgemini in Österreich. „Unternehmen, die sich das Ökosystem rund um diese neuen Technologien erschließen, werden den größten Nutzen daraus ziehen. Denn durch Kooperation steht ihnen die umfassende Expertise zur Verfügung, mit der sie zukunftsweisende, nachhaltige Lösungen entwickeln können.“

Security ist die größte Herausforderung 
Unternehmen stehen gemäß den Studienergebnissen von Capgemini folgenden Herausforderungen gegenüber, die sie bewältigen müssen, um das Potenzial von 5G optimal auszu­schöpfen:

• Die Integration von 5G in bestehende Netzwerke und IT-Systeme: Das Fehlen von standardisierten, interoperablen Lösungen erhöht den Zeitaufwand bei Installation und Tests.
• Bestimmen von 5G-Anwendungsfällen und deren Investitionsrendite – insbesondere in Industriebrachen, wo die Rentabilität im Vergleich mit bestehenden Optionen wie Kabelverbindungen bzw. den Kosten für die Erneuerung von Kabeln abzuwägen ist.
• Cybersicherheit hat vieles zu überwinden: von Schwierigkeiten bei der Auswahl vertrauenswürdiger, qualifizierter Anbieter über die Sicherheitsauswirkungen verschiedener Mo­delle der Netzwerkimplementierung bis hin zu einem Mangel an internen Prozessen zur Verringerung der Risikoexposition. 70 Prozent der befragten Industrieunternehmen sehen das Gewährleisten der Cybersicherheit als eine der größten Herausforderungen im Zusammenhang mit der Einführung von 5G.
• Die Harmonisierung einer Umgebung mit zahlreichen Anbietern der funktionalen Komponenten, aus denen industrielle 5G-Lösungen bestehen: 69 Prozent der Industrieunternehmen sehen in der Auswahl, im Onboarding und der Steuerung mehrerer Anbieter eines der größten Hindernisse.

Umsichtige Implementierung
5G ist inhärent energieeffizient und ermöglicht Anwendungsfälle, die zu mehr Nachhaltigkeit und dem Schutz der Umwelt beitragen. Etwa die Hälfte der Fertigungsunternehmen (51 Prozent) ist sich aber auch der potenziellen ökologischen Auswirkungen bewusst, die beispielsweise durch einen Anstieg der Rechenzentrumsaktivitäten entstehen könnten. Mehr als die Hälfte (53 Prozent) der befragten Industrie­unternehmen nennen daher die Reduzierung der Umweltauswirkungen ihrer 5G-Implementierungen als Priorität. Zwei Drittel (67 Prozent) haben vor, die Nachhaltigkeitsnachweise von 5G-Betreibern, -Anbietern und -Lieferanten bei ihren Beschaffungsentscheidungen zu berücksichtigen. 

Zur Implementierung von 5G müssen Unternehmen zunächst das für sie optimale Netzwerkmodell bestimmen und eruieren, welche Partner sowie Anwendungsfälle am besten zu ihren Bedürfnissen passen. Insbesondere Telekommunikationsunternehmen sind darauf an­gewiesen, schnell die entscheidenden Fähigkeiten aufzubauen, um sich vom Konnektivitätsdienstleister zum Anbieter auch branchenspezifischer Lösungen zu entwickeln. Sie stimmen ihre 5G-Strategie für Unternehmenskunden bereits auf die Nachfrage nach privaten 5G-Netzwerken ab, wie aus der Studie hervorgeht:

63 Prozent haben industrietaugliche private Netzwerklösungen auf den Markt gebracht; unter den übrigen planen 86 Prozent, solche Angebote innerhalb der nächsten zwei Jahre auszurollen. Edge-Computing berücksichtigen sie als wesentlichen Teil dieser Strategie: 37 Prozent der Telekommunikationsdienstleister bieten bereits 5G-basierte Edge-Computing-Services an, und 61 Prozent planen, dies innerhalb der kommenden drei Jahre zu tun.

5G im Probe-Einsatz 
Die österreichischen Telekom-Unternehmen sammeln jedenfalls bereits eifrig Erfahrungen mit dem Einsatz ihrer 5G-Angebote in der Industrie. Beispielsweise startete dieses Jahr Forschungs- und Lernfabrik der TU Graz, kurz smartfactory@tugraz, ein Ort für die Aus- und Weiterbildung im Bereich Industrie 4.0, an dem Unternehmen auch digitalisierte Produktionstechnologien in einer geschützten Umgebung erproben können.

Die 300 Quadratmeter große Fabrik ist mit einem campuseigenen 5G-Netz von Magenta Telekom ausgestattet. Dieses ermöglicht schnelle, großvolumige Übertragungskapazitäten zwischen den vielen internetbasierten Anwendungen wie den mobilen, autarken Arbeitssta­tionen. Über diese universellen Einheiten wird demonstriert, wie agile Produktionsprozesse physisch umgesetzt werden können. Dadurch gelingt es, mit nur kurzen Reaktionszeiten neue Produktionslinien aufzubauen, was für die Wettbewerbsfähigkeit auf den sich schnell ändernden Märkten immer wichtiger wird.

Eine andere Kooperation in diesem Bereich besteht zwischen dem Telekom-Unternehmen Drei und der TU Wien. Drei ist seit Herbst 2020 Connectivity-Partner der Technischen Universität Wien für deren Campusnetz in der Pilotfabrik Industrie 4.0 in der Seestadt Aspern. Kürzlich wurde ein neuer Use-Case zur Digitalisierung von vormals manuellen Fertigungs­prozessen präsentiert – natürlich unter Einsatz von 5G-Technologie.
Die neue „Smarte Spannpalette“ ist der erste in der Industrie einsetzbare 5G-Anwendungsfall, der aus dieser Kooperation entstanden ist. In vielen Fertigungsprozessen spielen hochtechnologisierte Spannpaletten für die präzise Bearbeitung von Objekten eine wichtige Rolle.

Der TU Wien und Drei ist es gelungen, solche Spannpaletten erfolgreich mit Sensoren und 5G-Modem zu erweitern und so einen Use-Case zu schaffen, um Fertigungsprozesse auf eine neue Automatisierungsebene zu heben. Die Palette verfügt über eine integrierte Stromversorgung und hat alle notwendigen Recheneinheiten on board, um den Prozess im Closed Loop mit der Werkzeugmaschine auszuregeln.
Wird ein Werkstück in die smarte Spannpalette, die mit einem völlig neu entwickelten elektrisch angetriebenen Schraubstock mit integrierter Spannkraftregelung ausgestattet ist, eingespannt, ermittelt diese entlang des gesamten Fertigungsprozesses automatisch Parameter wie zum Beispiel Spannkraft, Schwingungsverhalten, Temperatur oder auch Verformungen. Dies wiederum ermöglicht eine höhere Prozessstabilität und erlaubt, Abweichungen automatisch auszuregeln.

Die neue Technologie bewirkt weniger Ausschuss, weniger Stillstandzeit und eine höhere Qualität. Dies ist vor allem für Bereiche mit hohen Ansprüchen an die Prozessstabilität, z. B. im Hochsicherheitsbereich bzw. der Luftfahrt, relevant. Gleichzeitig werden Daten gesammelt, aus denen wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden können – und die in Verbindung mit Algorithmen und künstlicher Intelligenz beispielsweise Predictive Maintenance ermöglichen. Diese hat zum Ziel, den zukünftigen Wartungsbedarf bereits vor Auftreten von Störungen oder Ausfällen vorherzusagen.

„Unter Industrie 4.0 verstehen wir Anwendungen, bei denen Maschinen fühlen und situativ auf gewisse Effekte in der Fertigungstechnik autonom und automatisch reagieren können“, so Friedrich Bleicher, Vorstand des Instituts für Fertigungstechnik und Photonische Technologien der TU Wien. „Wir freuen uns, dass wir mit Drei einen starken Partner aus der Wirtschaft gefunden haben, mit dem gemeinsam wir innovative Projekte, die bald auch die Praxis prägen werden, umsetzen können.“ Matthias Baldermann ergänzt: „Die Herausforderung einer Mobilfunktechnologie ist meist, dass sie schlicht nicht greifbar ist. Die Kooperation mit der TU Wien ist ein konkretes Anwendungsbeispiel, das den Nutzen für die Industrie veranschaulicht.“ 

Was kommt nach 5G? Genau, 6G!
In der „Realität“ abseits universitärer Forschung ist in Europa freilich derzeit noch der Ausbau von 5G das zentrale Thema – dennoch arbeitet ein europäisches Konsortium, bestehend aus führenden Unternehmen und Forschungseinrichtungen im Bereich des Mobilfunks und der Nachrichtentechnik, an der technischen Machbarkeit von 6G. Maßgeblich daran beteiligt sind auch die österreichischen Unternehmen Technikon Forschungs- und Planungsgesellschaft mbH (als Koordinator) und NXP Semiconductors Austria sowie das Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation der TU Graz.

„Die Welt wird immer vernetzter. Mehr und mehr Daten müssen von immer mehr draht­losen Geräten ausgesendet, empfangen und verarbeitet werden – der Datendurchsatz wächst. Im Horizon2020-Projekt REINDEER widmen wir uns diesen Entwicklungen und erarbeiten ein Konzept, mit dem die Datenübertragung in Echtzeit praktisch ins Unendliche skalierbar ist“, so TU-Graz-Forscher Klaus Witrisal, Experte für drahtlose Kommunikationstechnik.

Antennen als Wandfliese oder Tapete
Wie das gelingen soll? Witrisal erklärt den Ansatz: „Wir wollen eine sogenannte RadioWeaves-Technologie entwickeln – eine Art Antennengewebe, das an jedem Ort in beliebiger Größe installiert werden kann. Etwa in Form von Wandfliesen oder als Tapete. So können ganze Wandflächen als Antennen­strahler fungieren.“

Bei bisherigen Funkstandards wie UMTS, LTE oder auch aktuell 5G erfolgt die Signalübertragung über Basisstationen – also Antenneninfrastruktur, die fest an einer Position verortet ist. Je dichter das Netz an ortsfester Infrastruktur ist, umso höher ist der Durchsatz (also jene Datenmenge, die in einem bestimmten Zeitfenster übertragen und verarbeitet werden kann). Die Basisstationen stellen allerdings einen Flaschenhals dar. Je mehr drahtlose Geräte mit einer Basisstation verbunden sind, desto instabiler und langsamer ist die Datenübertragung. Mit der RadioWeaves-Technologie würde dieser Flaschenhals verschwinden, „weil wir anstelle eines einzigen Knotenpunkts beliebig viele Knotenpunkte einhängen können“, so Witrisal.

Echtzeit-Inventarisierung und grandioses Stadionerlebnis
Für das private Heim brauche es die Technologie freilich nicht, so Witrisal. Doch für indus­trielle und öffentliche Anlagen birgt sie Möglichkeiten, die weit über 5G-Netzwerke hinausgehen. „Wenn in einem Sportstadion 80.000 Menschen, alle ausgerüstet mit einer Virtual-Reality-Brille, das entscheidende Tor zeitgleich aus der Perspektive des Torschützen anschauen möchten, ist das mit dem RadioWeaves-Antennenfeld zukünftig möglich.“ Die Funkwellen würden zudem die drahtlose Energieversorgung der VR-Brillen sicherstellen. Auch in Industriehallen könnte die Technologie für eine noch nie da gewesene Abdeckung sorgen. Es wäre machbar, Tausende von Objekten in Echtzeit zu lokalisieren.   

Überhaupt sieht Witrisal große Chancen für die funkbasierte Ortungstechnologie – ein Forschungsschwerpunkt seiner Arbeitsgruppe an der TU Graz. Die Forschenden gehen davon aus, dass mit der RadioWeaves-Technologie Güter auf zehn Zentimeter genau geortet werden können. „Damit lassen sich dreidimensionale Modelle von Güterströmen realisieren: für die Produktion und Logistik bis hin zur erweiterten Realität auf der Verkaufsfläche.“
Das Forschungsprojekt ist Anfang 2021 gestartet. Bis 2024 möchte das Konsortium einen ersten Hardware-Demonstrator entwickeln, um die RadioWeaves-Technologie experimentell validieren zu können. Witrisal: „6G wird erst Ende dieses Jahrzehnts spruchreif werden – doch dann wollen wir sicherstellen, dass der schnelle drahtlose Zugang dort ist, wo wir ihn brauchen, wenn wir ihn brauchen.“ 

„Nach dem Spiel ist vor dem Spiel“
Auch bei Silicon Austria Labs (SAL) in Linz wird bereits jetzt an den grundlegenden Technologien für 6G geforscht. Mit dem kürzlich erfolgten Umzug in neue Labor- und Büroräumlichkeiten im Science Park 4 werden Team und Kapazitäten derzeit weiter ausgebaut. SAL, dessen Mehrheitseigentümerin die Republik Österreich ist, arbeitet eng mit der JKU sowie heimischen Unternehmen zusammen: Kooperative Projekte werden von SAL kofinanziert und ermöglichen einen unbürokratischen und schnellen Projektstart.

„Um im globalen Wettbewerb an der Spitze bestehen zu können, benötigen heimische Betriebe Forschung auf Weltniveau. Da diese jedoch sehr kapitalintensiv ist, braucht es sowohl private als auch öffentliche Investitionen. SAL wurde gegründet, um Unternehmen mit erstklassigen Forschungsteams und entsprechender Infrastruktur zu unterstützen und dadurch Wett­bewerbsvorteile am Weltmarkt zu erzielen“, er-klärt Ingolf Schädler, Vorsitzender des Aufsichtsrats von SAL und ehemaliger stellvertretender Sektionschef für Innovation und Telekommunikation im zuständigen Bundes­ministerium.

Geleitet wird SAL in Linz von Thomas Lüftner, der über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der EBS-Industrie (Electronic Based Systems) verfügt und entschlossen ist, ein führendes europäisches Forschungszentrum für 6G zu etablieren: „‚Nach dem Spiel ist vor dem Spiel‘, das gilt beim Fußball. ‚Nach 5G ist vor 6G‘, das gilt sinngemäß beim Mobilfunk. Die 6G-Funkverbindung muss noch 100-mal schneller werden als 5G. Das Team bei SAL forscht daher bereits auf Hochtouren an den zugrundeliegenden Technologien in den Bereichen Hochfrequenztechnik und Embedded Systems. Wir freuen uns, am neuen Standort neue Kolleg:innen und mit ihnen noch mehr Know-how und Expertise dazuzugewinnen.“

Bevor es allerdings so weit ist, sollte Österreich vielleicht erst noch seine 5G-Hausaufgaben erledigen. Denn allein aufgrund des langsamen 5G-Ausbaus entgehen Österreich laut Berechnungen von Arthur D. Little bis 2030 jährlich zwischen vier und 5,5 Milliarden Euro an potenziell zu erwirtschaftendem BIP.

Zudem besteht ein außerordentliches Beschäftigungspotenzial zwischen 70.000 und 80.000 Arbeitsplätzen, welche durch die resultierende Belebung des ländlichen Raums in unterschiedlichen Wirtschaftssektoren entstehen würden. Aber formulieren wir es zum Abschluss doch einfach einmal positiv: In Sachen 5G gibt es noch viel Potenzial – man muss „nur“ danach greifen. (RNF)

INFO-BOX
Über die Capgemini-Studie
Die Ergebnisse von Capgemini basieren auf der Befragung von Führungskräften (Direktorenebene und höher) aus 1.000 globalen Industrieunternehmen, die planen, 5G einzuführen. Zusätzlich wurden 150 hochrangige Entscheidungsträger aus 75 Telekommunikationsunternehmen befragt, die bereits 5G-Netzwerke realisiert haben oder dies planen. Capgemini hat darüber hinaus Tiefeninterviews mit 25 Experten großer Industrie- und Telekommunikationsunternehmen geführt, die an 5G arbeiten, sowie mit anderen Akteuren innerhalb des 5G-Ökosystems. Diese Studie baut auf einem Report von Capgemini aus dem Jahr 2019 zu 5G im industriellen Betrieb auf. Hier stand das Interesse von Fertigungsunternehmen an der Einführung von 5G im Mittelpunkt.