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5G – Schlüsseltechnologie für die vernetzte Gesellschaft Ergebnisdokument der Fokusgruppe 5G Plattform „Digitale Netze und Mobilität“
2
Ergebnisdokument der Fokusgruppe 5G
Plattform „Digitale Netze und Mobilität“
Inhalt
00 Executive Summary 4
01 Vision 5G 7
02 Anwendungsfelder 9
02.1 Anwendungsfeld: Zukünftige Mobilität 9
02.2 Anwendungsfeld: Industrieautomatisierung 11
02.3 Anwendungsfeld: Logistik 12
02.4 Anwendungsfeld: Systemsteuerung (Smart Factory) 13
02.5 Anwendungsfeld: Mediennutzung 15
02.6 Anwendungsfeld: Intelligente Energienetze 16
03 Anforderungen der Anwendungsfälle 19
03.1 Ultrahohe Datenraten 19
03.2 Echtzeit Reaktion – Taktiles Internet 19
03.3 Optimale Verfügbarkeit 20
03.4 Sichere Verfügbarkeit 21
03.5 Sicherheit 21
03.6 Energieeffizienz 22
04 Technologische und regulatorische Anforderungen an 5G 23
04.1 Spektrumsbedarf 23
04.2 Spektrumsmanagement 24
04.3 Funkübertragungstechnik 24
04.4 Backhaul 25
04.5 Netzarchitektur 25
04.6 Berücksichtigung der Anforderungen der Übertragung von Rundfunkinhalten 25
04.7 Testfrequenzen und Modellregionen 26
04.8 Internationale Standardisierung 26
04.9 Netzneutralität – Priorisierung von Diensten 27
04.10 Erfolgreiche Geschäftsmodelle ermöglichen – 5G Investitionen fördern 27
05 Die Partner 28
300
Executive Summary
Die Vernetzung von Märkten, Branchen, Industrien und der Gegenwärtig ist jedoch festzustellen, dass 5G als Tech-
Gesellschaft wird sich in den kommenden Jahren radikal nologie und seine Potentiale – insbesondere in den
verändern. Stand bisher die infrastrukturelle breitbandige Anwendungsbranchen in Deutschland – nicht umfäng-
Basisvernetzung im Vordergrund, geht es zukünftig um lich bekannt sind. Die Fokusgruppe 5G hat sich daher
die Vernetzung nahezu aller Dinge zu einem „Internet of zum Ziel gesetzt, für das Thema zu sensibilisieren und
Things“. In den kommenden Jahren werden nicht mehr Deutschland bei dieser zentralen Entwicklung als Vorrei-
nur Millionen von Smartphones und Computern vernetzt ter zu positionieren, um die skizzierten wirtschaftlichen
sein. Die momentan in der Entwicklung befindliche fünfte Potentiale zu realisieren. Dazu hat die Fokusgruppe mit
Mobilfunk- und Netztechnologie „5G“ hat den Anspruch, zahlreichen Akteuren aus den Anwendungsbranchen den
die zukünftigen Anforderungen an die Kommunikation in Dialog geführt und die Anforderungen der Branchen an
dieser vollständig vernetzten Informationsgesellschaft 5G gegenüber den bestehenden Technologien analysiert.
sehr viel umfassender als bisher zu erfüllen. Eine Übersicht zu den Anforderungen der Anwendungs-
industrien gibt die ‚Checkliste 5G‘. Aktivitäten im Bereich
Die 5G-Technologie wird sich u. a. durch eine viel- von Forschung und Entwicklung zu 5G werden in der
fach h öhere Datenkapazität sowie eine sehr geringe ‚5G Deutschlandkarte‘ dargestellt. Exemplarisch lassen
Reaktionszeit (Latenz) auszeichnen. Mit diesen Charak sich dabei folgende Anwendungsszenarien darstellen:
teristika wird 5G eine wesentliche technologische
Grundlage für Entwicklungen im Bereich Industrie 4.0 — Die Vision vom hoch automatisierten Fahren rückt
und für eine generelle verstärkte Vernetzung in strate- immer näher und ist eines der Zukunftsfelder der
gisch wichtigen Bereichen wie Mobilität (z. B. automati- deutschen Automobilindustrie. Für die weitergehende
siertes Fahren), Logistik, Energie und Medienverbreitung Automatisierung ist neben zusätzlicher Sensorik
liefern. Neben diesen anspruchsvollen Anforderungen in auch der Austausch von Sensorinformationen mit
vielfältigen Anwendungsfeldern muss die Entwicklung den umgebenden Fahrzeugen erforderlich, um das
von 5G weiteren Rahmenbedingungen Rechnung tragen. Fahren weiter zu verbessern. Die mit 5G erreichba-
Mit der massiven Zunahme vernetzter Geräte handelt ren g
eringen Ende-zu-Ende-Verzögerungen in der
es sich dabei insbesondere um ein stark wachsendes Größenordnung unter 10 ms (Ziel 1 ms) ermöglichen
Datenvolumen, das zukünftig in den Netzen transportiert einen solchen Austausch. Stausituationen erfordern
werden muss. 5G muss nicht nur flexibel und skalierbar, die Kommunikation von Tausenden Teilnehmern
sondern bei der ab 2020 zu erwartenden Verfügbarkeit innerhalb einer Kommunikationszelle.
auch bezahlbar sein und nachhaltig durch die Netzbetrei-
ber implementiert werden können. Das volle Potential von
5G als Mobilfunk- und Netztechnologie wird sich aller Vor-
aussicht nach nur im Kontext neuer, innovativer Geschäfts-
modelle entfalten können.
4Ergebnisdokument der Fokusgruppe 5G
Plattform „Digitale Netze und Mobilität“
— In Energienetzen werden in Zukunft dezentrale Sys Um 5G ab 2020 erfolgreich in Deutschland zu implemen-
teme auf lokaler Ebene mit einem hohen Vernetzungs- tieren, ist es erforderlich, dass Unternehmen, Wissenschaft,
grad die Architektur bestimmen. Ziel ist es, lokale und Verwaltung und Politik gemeinsam daran arbeiten, die
regionale Energieverteilnetze durch die dynamische notwendigen Weichenstellungen zeitnah herbeizuführen.
Steuerung von Erzeugern, Lasten und Speichern so Geschäfts- und Organisationsmodelle müssen hinsicht-
zu optimieren, dass diese sich in einem energetischen lich notwendiger Veränderungsbedarfe analysiert und
Gleichgewicht befinden. Dazu sind Kommunikations- erforderliche Kompetenzen identifiziert werden. Durch ein
beziehungen in lokalen und regionalen Strukturen mit abgestimmtes Handeln wird es gelingen, Deutschland
sehr kleiner Latenz notwendig. zu einem Leitmarkt der 5G-Nutzung zu machen. Mit 5G
— Im Bereich der Logistik wird die Erfassung von Bear- bietet sich die Chance, den globalen Standard für mobile
beitungs- und Qualitätszuständen eines Produkts Vernetzung zu schaffen. Deutschland und Europa müssen
wesentlich feingranularer erwartet als heute. Neben das damit verbundene Innovationspotential frühzeitig
den Anforderungen an Verfügbarkeit, Echtzeit- erkennen und sich führend in den internationalen Prozess
Reaktionsfähigkeit und gegebenenfalls sogar nach- einbringen. Dafür sind insbesondere die folgenden Punkte
steuernde Optionen für den Kunden während der entscheidend:
Produktion, zeigen Kunden und Produzent zunehmend
Interesse an einer lückenlosen Transportüberwachung — Bereitstellung von ausreichend geeignetem
und einer gemeinsamen Wareneingangskontrolle in Mobilfunkspektrum für 5G:
Echtzeit. In der Weltfunkkonferenz im November 2015 (WRC-
— Die Steuerung einzelner Produktionsmittel in der 15) müssen im Rahmen der Definition eines Ta-
industriellen Produktion im Sinne einer „Smart gesordnungspunktes für die WRC-19 ausreichend
Factory“ und deren Kommunikation untereinander Bandbereiche sowohl zwischen 6 und 30 GHz, als
(Machine-to-Machine) wird mit entsprechender Hard- auch zwischen 30 und 100 GHz für Studien benannt
und Software in einer hoch aggregierten Form werden. Nur auf dieser Basis können in der WRC-19
erfolgen. Dabei addieren sich Millionen bzw. Milliarden die notwendigen Frequenzen für 5G bereitgestellt
von Statusmeldungen, welche stetig durch Sensoren werden. Mit Stand Oktober 2015 sind zwar hinrei-
oder andere Systeme erfasst, übermittelt und aus chend Bandbereiche oberhalb 24 GHz mit Potential zu
gewertet werden. weitreichender Harmonisierung für Studien vorge-
— In der Mediennutzung werden Anwendungen aus schlagen, allerdings finden sich im für kostengünstige
der virtuellen Realität und rundfunkartige Echt- 5G-Netzabdeckung wichtigen Bereich 6 bis 24 GHz
zeit-Verbreitung eine zunehmend mobile Verbreitung fast keine Vorschläge.
finden und damit neue Perspektiven ermöglichen.
Durch hohe Bandbreiten auch bei vielen Nutzern auf — Geeignetes Spektrum-Management:
engem Raum werden so beispielsweise in Stadien Auch für 5G wird die exklusive Zuteilung von
„Second-Screen“-Anwendungen in Echtzeit möglich. Frequenznutzungsrechten über lange Zeiträume es-
Nicht zuletzt wird auch die Individualkommunikation sentiell für Planungs- und Investitionssicherheit, sowie
von den neuen Möglichkeiten profitieren und neue für die Erbringung von Diensten mit planbarer Quality
Formen der zwischenmenschlichen Kommunikation of Service sein. Komplementär zu einer exklusiven
ermöglichen. Lizensierung wird es auch im Interesse besserer Spek-
trumseffizienz zunehmend Modelle der gemeinsamen
Nutzung von Spektrum geben.
5— Leistungsfähige Anbindungen der Funkstationen (Backhaul): Die Bereitstellung leistungsfähiger Backhaul-Infrastruk- tur mit stark wachsendem Glasfaseranteil im Rahmen des Breitbandausbaus wird einen wesentlichen Bau- stein für leistungsfähige 5G-Netze darstellen. — Ausgewogene Regelungen zur Netzneutralität: 5G-Netze werden verschiedenste Dienste mit sehr unterschiedlichen Anforderungen bedienen müssen, was eine technische Priorisierung zwingend erforder- lich macht. Netzneutralität darf daher gesetzlich nicht zu eng ausgestaltet werden, um das enorme Innova- tionspotential zu erhalten sowie weiterhin Differen- zierungsmöglichkeiten und Netzwerkmanagement zu ermöglichen. — Erfolgreiche Geschäftsmodelle ermöglichen – 5G Investitionen fördern: Für den Markterfolg von 5G und seiner positiven Wirkung auf andere Industriesektoren wie z. B. die Industrie, die Mobilitätsbranche und die Logistik ist ein investitionsfördernder regulatorischer Rahmen zwingend erforderlich. Dieser muss auch die Fort- setzung der 5G-Forschungs- und Standadisierungs- aktivitäten sowie Rechts- und Planungssicherheit in Hinsicht auf Regulierungsmaßnahmen gewährleisten. 6
Ergebnisdokument der Fokusgruppe 5G
Plattform „Digitale Netze und Mobilität“
01
Vision 5G
Mobilkommunikation für die Anforderungen
der vernetzten Gesellschaft
Die momentan in der Entwicklung befindliche fünfte Ge- Es ist bereits heute klar, dass die zukünftigen Anforde-
neration für Mobilkommunikation (5G) hat den Anspruch, rungen weit über die Verfügbarkeit von lediglich höherer
die zukünftigen Anforderungen an die Kommunikation Bandbreite hinausgehen. Für die vollständig vernetzte
in einer vollständig vernetzten Informationsgesellschaft Gesellschaft müssen mobile Anbindungen flächen
sehr viel umfassender als bisher zu erfüllen. Grundlage deckend und zu jeder Zeit bedarfsgerecht zur Verfügung
bilden dafür konvergente Netze aus Festnetz- und Mobil- stehen. Dies umfasst sogenannte Echtzeitanwendungen,
funktechnologien. Schätzungen gehen davon aus, dass die besonders hohe Anforderungen an kurze Reaktions-
bis 2020 weltweit 50 bis 500 Milliarden Dinge vernetzt zeiten stellen. Nicht zuletzt wird die vollständig vernetze
sein werden. Die sich ergebenden Potentiale wirtschaft- Gesellschaft durch eine Vielzahl von Sensoren in allen
licher und gesellschaftlicher Entwicklung haben enorme Lebensbereichen gekennzeichnet sein, deren Einsatz und
Auswirkungen auf das volkswirtschaftliche Wachstum Funktion wesentlich von einem geringen Energiebedarf
und die zukünftige Wertschöpfung. 5G wird eine der abhängen.
Schlüsseltechnologien der Digitalisierung aller Lebens-
und Wirtschaftsbereiche. Mit 5G bietet sich die Chance, Neben diesen anspruchsvollen Anforderungen in viel
den globalen Standard für mobile Vernetzung zu schaffen. fältigen Anwendungsfeldern muss die Entwicklung von
Deutschland und Europa müssen das damit verbundene 5G weiteren Rahmenbedingungen Rechnung tragen.
Innovationspotential frühzeitig erkennen und sich führend Neben der massiven Zunahme vernetzter Geräte handelt
in den internationalen Prozess einbringen. es sich dabei insbesondere um ein enorm wachsendes
Datenvolumen, das zukünftig in den Netzen transportiert
Es gilt, die absehbaren Geschäftsmodelle und Bedarfe in werden muss. 5G muss daher nicht nur flexibel und
den Blick zu nehmen, um mit 5G die Grundlage weiterer skalierbar, sondern bei der ab 2020 zu erwartenden Ver-
Innovation und Wertschöpfung sicherzustellen und aus- fügbarkeit auch bezahlbar sein und nachhaltig durch
zubauen. Die große Mehrzahl zukünftiger Anwendungen die Netzbetreiber implementiert werden können.
wird von der universellen und allgegenwärtigen Verfüg-
barkeit mobiler bzw. drahtloser Vernetzung und Internet
anbindung abhängen, deren Leistungsfähigkeit über die
der heutigen Technologien hinausgeht. Während mit dem
momentanen 4G-Standard die klassischen Bedarfe der
Konsumenten wie Telefonie und Datendienste weitestge-
hend befriedigt werden können, ergeben sich für die sich
abzeichnende Nachfrage aus dem industriellen Umfeld
darüber hinaus gehende Herausforderungen für die Mobil
funknetze, die mit 5G zu bewältigen sind.
7Das volle Potential von 5G als Funk- und Netztechnologie wird sich aller Voraussicht nach nur im Kontext neuer, innovativer Geschäftsmodelle entfalten können. Das heutige subskriptionsbasierte und weitgehend werbe finanzierte Modell für den Zugang zu vielen Anwendungen wird bei den professionellen und teils kritischen Anwen- dungen nicht ausreichen. Neue Geschäftsmodelle werden im Dreieck Netzbetreiber, Anwendungsbetreiber und Nutzer entstehen und insbesondere die Risikoeinschät- zungen der einzelnen Teilnehmer anwendungsbezogen in den Vordergrund stellen. Der Ausfall einer Kommuni kationskomponente im Fall hoch automatisierten Fahrens wird zum Beispiel eine höher bewertete Relevanz haben als im Anwendungsfall Mediennutzung. 5G ermöglicht diese differenzierte Gestaltung von Services. Die technischen Anforderungen aus Anwendungs- und Geschäftsmodellsicht bedingen einen weiteren Innova tions-Schritt von 5G im Vergleich zu 4G bezüglich der zu Grunde liegenden Mobilfunktechnologien für die Luftschnittstelle und der zukünftigen Netzarchitekturen. 5G wird die Frequenznutzungseffizienz weiter steigern. Die in der Diskussion befindlichen Lösungen werden den zellularen Charakter der heutigen Mobilfunknetze weitgehend korrigieren. Cloud-Lösungsansätze für die Netzwerkfunktionen und deren Steuerung werden eine ungeahnte Flexibilisierung der Geschäftsmodelle und – Beziehungen erlauben. Dabei wird sich 5G zunächst als Netzerweiterung der heutigen 4G-Netze um die wich- tigsten Anwendungsfälle etablieren, die nicht mit der existierenden 4G-Technologie befriedigt werden können. Darüber hinaus wird 5G eine umfassende Konvergenz zwischen allen Netzzugangsarten realisieren und die digitale Plattform für alle Kommunikations- und Vernet- zungsanwendungen darstellen. 8
Ergebnisdokument der Fokusgruppe 5G
Plattform „Digitale Netze und Mobilität“
02
Anwendungsfelder
02.1 einem Ausfall von Datenverbindungen sicher zum Stehen
bringen können muss, kann dadurch auf ein Minimum
Anwendungsfeld: reduziert werden.
Zukünftige Mobilität
Realisierung mit 4G: Kartenupdates von einem Server, als
1. Fallbeispiel: Beispiel für backendbasierte Dienste, lassen sich bereits
Hochautomatisierte Fahrt mit kooperativem realisieren. Das Hochladen von aktuellen Kartendetails
Sensordatenaustausch zur Verbesserung ist stark abhängig von den verfügbaren
Die Vision vom hoch automatisierten Fahren rückt immer Netzen. Sicherheitsrelevante Kommunikation zwischen
näher und ist eines der Zukunftsfelder der deutschen Fahrzeugen ist mit 4G nicht möglich, da die Latenzzeit zu
Automobilindustrie. Schon heute werden Assistenzfunk- groß ist und mit nur moderaten Teilnehmerzahlen in den
tionen angeboten, die Teilaspekte des automatisierten Zellen bereits ansteigt.
Fahrens enthalten, z. B. ein Stauassistent, der innerhalb
des Fahrstreifens bremst und wieder beschleunigt, je Anforderung an 5G: Ende-zu-Ende Verzögerung in der
nachdem, wie sich das vorausfahrende Fahrzeug verhält. Größenordnung unter 10 ms (Ziel 1 ms) ist erforderlich,
Für die weitergehende Automatisierung ist neben zusätz- um kooperative Umplanungen im Falle eines unerwarte-
licher Sensorik auch der Austausch von Sensordaten mit ten Ereignisses, z. B. Ball oder Wild auf der Fahrbahn, zu
den umgebenden Fahrzeugen erforderlich, um das Fahren ermöglichen. Stausituationen erfordern die Kommunika
weiter zu verbessern. Die mit 5G erreichbaren geringen tion von tausenden Teilnehmern innerhalb einer Kommu-
Ende-zu-Ende-Verzögerungen ermöglichen eine koopera- nikationszelle. So haben beispielsweise in einem 5 km
tive Umplanung im Falle eines unerwarteten Ereignisses Stau auf einer dreispurigen Autobahn ca. 2500 Fahr-
(z. B. Ball oder Wild auf der Fahrbahn). Stausituationen zeuge und deren Insassen Kommunikationsbedarf. Die
erfordern die Kommunikation von Tausenden Teilnehmern Kommunikation muss unabhängig vom Netzwerkbetrei-
innerhalb einer Kommunikationszelle. Für die Positio- ber sichergestellt sein. Die Zuverlässigkeit, mit der Daten
nierung müssen hochaktuelle Karten vom Backend ins übermittelt werden, muss um Größenordnungen besser
Fahrzeug geladen werden. In umgekehrter Richtung werden werden. Die Kommunikation muss durch Relaying (das
Lokalisierungsdaten zum Backend-Server geschickt, um „Weiterleiten“ eines Signals) auch in nicht abgedeckten
aktuelle Veränderungen für das automatische Fahren Gebieten ermöglicht werden. Das Datenübertragungs
in den Karten abzubilden. Die Sicherheit kann durch volumen durch Sensorerfassung muss vom Mobilfunk-
den Austausch von Sensordaten nochmals verbessert netz transportiert werden. Die Vehicle-2-Vehicle Kommu-
werden, in dem Fahrzeuge ihre eigenen Beobachtungen nikation sollte als Kernelement für Bereiche mit fehlender
mit denen anderer Fahrzeuge abgleichen. Dadurch wird Mobilfunk-Abdeckung und zur Steigerung der Zuverläs-
es möglich, im Mischverkehr automatisierte und manuell sigkeit eingebunden werden.
gefahrene Fahrzeuge zu betreiben, da auch nicht kom-
munizierende Fahrzeuge erkannt und deren Fahrverhalten Potentiale: Komfortfunktionen wie hochautomatisches
kommuniziert und besser in die Planung mit einbezogen Fahren sind sicherer, effizienter und umweltschonender
werden. Der Einsatz der ohnehin nötigen fahrzeugindi- als herkömmliche individuelle Mobilität.
viduellen Sicherheitssysteme, die das Fahrzeug u. a. bei
9Maßnahmenempfehlung / Enabler: Fördermaßnahmen Realisierung mit 4G: Aufgrund der Latenz und
zur Entwicklung von 5G unter Einbeziehung der Anforde- Abdeckungsproblematik nicht möglich.
rungen der Automobilindustrie. Bereitstellung von Fre-
quenzbändern für Nutzung durch alle Netzwerkbetreiber Anforderung an 5G: Ende-zu-Ende Verzögerung in der
zur Sicherstellung der Interoperabilität. Größenordnung unter 10 ms (Ziel 1 ms) sind erforderlich,
um ferngeführtes Fahren zu ermöglichen. Auch in Stau
2. Fallbeispiel: situationen (siehe Anwendungsfall 1) muss die latenz
Tele-operated driving (ferngeführtes Fahren) arme, hochauflösende Videoübertragung gewährleistet
Hochautomatisiertes Fahren erlaubt auch das Fahren bleiben. Die Kommunikation muss unabhängig vom Netz-
für Menschen mit Behinderungen, die alleine nicht in der werkbetreiber sichergestellt sein. Die Zuverlässigkeit, mit
Lage sind, ein Fahrzeug zu führen. Da für das hochauto- der Daten übermittelt werden, muss um Größenordnungen
matisierte Fahren immer noch ein Eingreifen des Fahr- besser werden. Dafür ist eine flächendeckende Verfügbar-
zeugführers notwendig sein oder aufgrund der Umwelt keit von Breitbandverbindungen erforderlich. Auch kann
ein automatisches Fahren nicht möglich sein kann, bietet eine Einbindung der Vehicle-2-Vehicle Kommunikation als
das ferngeführte Fahren für diese Menschen eine extreme Kernelement für Bereiche mit fehlender Netzabdeckung
Steigerung ihrer Mobilität. und zur Steigerung der Zuverlässigkeit erfolgen.
Der eigentliche Fahrer sitzt in einer Zentrale und steuert Potentiale: Das Fahren mit Komfortfunktionen wie hoch-
das Fahrzeug durch Bereiche, in denen automatisches automatisches Fahren ist sicherer und umweltschonen-
Fahren nicht möglich ist. Des Weiteren kann dieser Fahrer der als bisher. Die Einführung von ferngeführtem Fahren
auch die Führung des Fahrzeuges übernehmen, wenn ein erhöht die Sicherheit und Mobilität auch für Nutzergrup-
Fahrer im Fahrzeug, z. B. aus gesundheitlichen Gründen, pen, die bisher davon ausgeschlossen sind. Es entstehen
Herzinfarkt, diabetischen Schock, etc. nicht mehr in der durch das ferngeführte Fahren zudem neue potenzielle
Lage ist, die Führung zu übernehmen. Hier kann die Geschäftsfelder für Dienstleistungen.
Rettungskette erheblich verkürzt werden, wenn sich
Rettender und Retter aufeinander zu bewegen. Maßnahmenempfehlung / Enabler: Fördermaßnahmen
zur Entwicklung von 5G unter Einbeziehung der Anforde-
Der Einsatz der ohnehin nötigen fahrzeugindividuellen rungen der Automobilindustrie. Bereitstellung von Fre-
Sicherheitssysteme, die dieses u. a. bei einem Ausfall von quenzbändern für Nutzung durch alle Netzwerkbetreiber
Datenverbindungen sicher zum Stehen bringen können, zur Sicherstellung der Interoperabilität.
kann dadurch auf ein Minimum reduziert werden.
10Ergebnisdokument der Fokusgruppe 5G
Plattform „Digitale Netze und Mobilität“
02.2 Neben diversen speziellen Anforderungen können allge
meine Anforderungen aus der Industrieautomatisierung
Anwendungsfeld: formuliert werden. Die Anforderungen an die Datenraten
Industrieautomatisierung liegen typischerweise im Bereich weniger kbps bis zu
wenigen Mbps. Bezüglich Latenz hat sich die Charakteri
Fallbeispiel: Die Industrie ist das Herz der deutschen sierung von Feldbussystemen in sogenannte QoS-
Wirtschaft, welche aktuell vor der nächsten industriellen (Quality-of-Service)-Klassen bewährt, die von Klasse 1
Revolution steht. Unter dem Stichwort „Industrie 4.0“ wird (100 ms) bis zu Klasse 3 (< 1 ms) für Motorsteuerung
die weiter zunehmende Vernetzung und die Nutzung der reicht. Jitter als Parameter spielt nur bei Echtzeit-Kom-
breit verfügbaren Daten als wichtigstes Wachstumsfeld munikation eine Rolle, kann dann aber Werte < 1 ms
beschrieben. Neben erhöhter Flexibilität durch mobile erfordern. Zu beachten sind auch Fehlermanage-
Anbindungen spielt die Nutzung der Daten, beispielsweise ment ( Signal Failure Handling) und der notwendige
zur Individualisierung von Wartungszyklen und damit Installationsaufwand.
zur optimierten Anlagenzuverlässigkeit bei geringeren
Standzeiten und Kosten eine wichtige Rolle. Potentiale: Durch die Erweiterung bestehender Industrie-
netze mit 5G und zunehmende Konvergenz verschiedener
Realisierung mit 4G: Mangels qualitätsgarantierter Über- Netztypen durch 5G entstehen neue Möglichkeiten in der
tragungsdienste kommt 3G / 4G aktuell nur eine unter- modernen Fabrikautomatisierung. Noch stärkere Einbin-
geordnete und unterstützende Rolle in weniger kritischen dung verteilter Sensorik und flexible Erweiterung dersel-
Anwendungsfällen der Industrieautomatisierung zu. ben sind ebenso interessante Anwendungen wie Steue-
rung von Automatisierungstechnik über 5G-Technologie
Anforderung an 5G: In der Vernetzung von Industrie oder die standortübergreifende virtuelle Fabrik.
automatisierung liegt die Priorität auf qualitätsga-
rantierten Übertragungsdiensten und damit höchster Maßnahmenempfehlung / Enabler: Fördermaßnahmen
Zuverlässigkeit, weniger auf absoluten Werten wie extrem zur breiten und interdisziplinären Entwicklung von 5G.
hohen Datenraten. Um breite Akzeptanz neuer Technolo- Damit Sicherstellung der auch zukünftigen Vorreiterstel-
gien zu erzielen, können existierende Spezifikationen für lung der deutschen Wirtschaft im Bereich Industrieauto
kabelgebundene und kabellose Kommunikationssysteme matisierung durch umfassende Zusammenarbeit von
zugrunde gelegt werden. Wissenschaft, Mittelstand und Industrie.
1102.3 einer Bestellung der Realisierungsprozess eines Produkts
Anwendungsfeld: mit all seinen spezifischen Parametern zu x-beliebigen
Zeitpunkten in Echtzeit für den Produzenten und den Kun-
Logistik den einsehbar und vollständig dokumentierbar sein muss.
Anwendungsfall: Warenverfolgung von der Bestellung Potentiale: Die Erfassung von Bearbeitungs- und Quali
und Herstellung bis zur Annahme tätszuständen eines Produkts wird voraussichtlich
Fallbeispiel: Die flächendeckende Verfügbarkeit von wesentlich feingranularer erwartet als heute. Neben den
Breitbandverbindungen ist sowohl im Kontext der Herstel- Anforderungen an Echtzeit, Verfügbarkeit und gegebenen-
lung, also bspw. innerhalb einer Fabrik, sowie im weiteren falls sogar nachsteuernde Optionen für den Kunden wäh-
Verlauf entlang der Logistikkette bis hin zum Punkt der rend der Produktion zeigen Kunde und Produzent an einer
Warenübergabe aus Produzenten-, Kunden- und Liefer lückenlosen Transportüberwachung und einer gemein
antensicht stabil zu gewährleisten. samen Wareneingangskontrolle in Echtzeit zunehmendes
Interesse. Dazu muss die übergreifende und konvergente
Realisierung mit 4G: Eine Realisierung mit 4G ist nur Nutzung klassischer Überwachungsinstrumente wie Optik
eingeschränkt möglich, da insbesondere eine tatsächliche und Sensorik auch in großer Anzahl funktionieren.
Echtzeit-Übertragung nicht zur Verfügung steht.
Maßnahmenempfehlung / Enabler: Hier gilt es, entspre-
Anforderung an 5G: Die Trennung von Mobilfunk und chende Netzarchitekturen zwischen den Mikro- und
anderen Netzen ist zukünftig durch konvergente Netze Makronetzen zwischen den jeweiligen Akteuren ggf. in
zu eliminieren. Dies und die Durchlässigkeit im Sinne Plattformlogiken zu definieren und zu implementieren.
eines taktilen Netzes können die neuen Erwartungen von Der Datenaustausch ist dabei entsprechend abzusichern
Nutzern und Anbietern an transparente und lückenlos und die Echtzeit (1 ms) als elementares Leistungsmerk-
dokumentierte Prozesse in Echtzeit erfüllen. Gegenüber mal zwingend zu realisieren.
heutigen Standards kann davon ausgegangen werden,
dass in der „Echtzeitwelt“ von morgen ab dem Zeitpunkt
Echtzeittracking Herstellung-Zulieferung-Weiterverarbeitung / Nutzung1
1 Quelle: DB AG, Juli 2015
12Ergebnisdokument der Fokusgruppe 5G
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02.4 Natürlich profitieren auch die Kunden, ob Geschäfts- oder
Privatkunden, von den neuen Möglichkeiten. Sendungs-
Anwendungsfeld: verfolgungen auf der Schiene könnten für Geschäfts-
Systemsteuerung (Smart Factory) kunden zukünftig nicht nur per Sensor- oder GPS-Daten,
sondern auch durch Live-Video-Überwachung ermöglicht
Anwendungsfall: Nutzenmaximierung durch werden. Die größere und zuverlässig abrufbare Bandbreite
optimale Steuerung und Ressourceneinsatz wird auch beim Fahrgast zu deutlich mehr Zufriedenheit
Fallbeispiel: Die Steuerung einzelner Produktionsmittel führen, um Online-Aktivitäten wie Videotelefonie, Spiele
bei der Bahn im Sinne einer „Smart Factory“ wie bspw. etc. in gleichbleibend hoher Qualität zu ermöglichen.
von Triebzügen, Lokomotiven oder Einzelwagen und deren
Kommunikation untereinander (machine-to-machine) wird Realisierung mit 4G: Dieses Zielbild ist aufgrund der
mit entsprechender Hard- und Software in einer hochag- bekannten Restriktionen derzeit nicht, auch nicht im
gregierten Form möglich. Das Ziel einer zentralen Leitstelle Kontext 4G plus Glasfaser plus W-Lan abbildbar. Hier
für das gesamte Management des deutschen Bahnnetzes braucht es ein taktiles, konvergentes Netz.
wäre erreichbar, bei gleichzeitiger Echtzeitaufschaltung
aus dieser übergeordneten Steuerungseinheit auf jedes Anforderung an 5G: Durch technische Erfassungssys-
einzelne Element im Netz wie Weichen, Signale, Licht- teme wie bspw. Video- oder Sensortechnik lassen sich
masten, Rolltreppen etc. Denn diese und viele weitere Zustände eindeutig und jederzeit erkennen und durch
kleine Bestandteile ergeben in Summe die Mobilitäts- und entsprechende Software automatisiert analysieren.
Logistikketten, die das S
ystem Bahn charakterisieren. Für die operative Steuerung der Produktionsabläufe im
System Bahn wird die hochverfügbare und hochsichere
Hinzu addieren sich Millionen bzw. Milliarden von Status- 5G-Technologie ein, wenn nicht das Element werden, um
meldungen, welche stetig durch Sensoren oder andere die Komplexität in Flexibilität zu verwandeln.
Systeme erfasst, übermittelt und ausgewertet werden.
Der fortlaufende Soll-Ist-Abgleich, die Ableitung von
Handlungsempfehlungen für Steuereinheiten bzw. Auto-
maten oder Menschen und die unmittelbare Ausführung
von Empfehlungen oder „Befehlen“, benötigen eine solch
leistungsstarke Technologie.
13Potentiale: Die Steuerung einzelner Produktionsmittel im Maßnahmenempfehlung / Enabler: Die „Echtzeit“ ist
Sinne einer „Smart Factory“ und deren Kommunikation ein wesentlicher Aspekt der 5G-Technologie, der für
untereinander (Machine-to-Machine) wird mit entspre- die Weiterentwicklung des Gesamtsystems Bahn einen
chender Hard- und Software in einer hoch aggregierten entscheidenden Beitrag liefern kann. Die Möglichkeit über
Form erfolgen. Dabei addieren sich Millionen bzw. Milliarden hunderte von Kilometern Aktionen sicher und zuverlässig
von Statusmeldungen, welche stetig durch Sensoren oder erkennen oder ausführen zu können, ohne das eine Zeit-
andere Systeme erfasst, übermittelt und ausgewertet verzögerung auftritt, ermöglicht neue Arten von Betriebs-
werden. Der fortlaufende Soll-Ist-Abgleich, die Ableitung und Sicherheitskonzepten. Diese Basis sollte übergreifend
von Handlungsempfehlungen für Steuereinheiten bzw. geschaffen werden.
Automaten oder Maschinen und die unmittelbare Aus-
führung von Empfehlungen oder „Befehlen“ brauchen die
leistungsstarke 5G-Technologie.
Echtzeitüberwachung und -steuerung von Abläufen und Anlagen zur optimalen Ressourcennutzung und stabilen und
flexiblen Bedienung von Kundenbedürfnissen.2
Entertainment
Steuerungszentrale
Steuerung Steuerung
Bahnbetrieb Anlagen
Weitere
2 Quelle: DB AG, Juli 2015
14Ergebnisdokument der Fokusgruppe 5G
Plattform „Digitale Netze und Mobilität“
02.5 sich bringen. So wie umwelt- und situationsabhängige
Anwendungsfeld: Head-up-Displays in Fahrzeugen heute schon Standard
sind, werden auch mit Empfangsgeräten und Mikropro-
Mediennutzung jektoren ausgestattete Brillen viele neue professionelle
Anwendungen ermöglichen. Die Anforderung nach in
Fallbeispiel: Live Events 2022 höchster Qualität (mindestens 4K) verfügbaren Inhalten
Im Jahr 2022 wird sich Mediennutzung stark verändert und gleichzeitiger Mischung mit individueller Kommunika-
und weiterentwickelt haben. Während vorproduzierte tion oder eventbezogenen Zusatzdiensten macht zudem
Inhalte (professionell oder von Nutzern selbst) indivi- eine enge Verzahnung der Broadcast- und Unicast-Be-
duell, überall und jederzeit in hoher Qualität abrufbar triebszustände von 5G erforderlich. Eine Optimierung
sind, wird die Technologie rund um Live Events (kulturell der Videoübertragung und der Kodierungsverfahren für
oder sportlich) auch mit Hilfe von 5G in neue Dimen mobilen Einsatz mit flexiblen Bandbreiten wird ebenso wie
sionen vorstoßen. Das hat sich schon mit dem Regel die technische Aufhebung der Grenzen zwischen heutigen
betrieb von 5G anlässlich der olympischen Spiele in Tokio Einzelkommunikationen (unicast) und Massenkommunika-
2020 gezeigt und seit dem großflächigeren Einsatz von tion (broadcast) ein wichtiger Bestandteil der 5G System
5G-Technik auch gerade im Umfeld der Fußball-WM 2022 entwicklung sein.
nochmals zu e inem Massenphänomen ausgeweitet. In
Stadien kommen Menschen zusammen und genießen Potentiale: Gerade der Eventbereich der Mediennutzung
mit ihren Virtual-Reality-Brillen nicht nur die Möglichkeit, bietet ein weites Potential für Innovationen und Experi-
sich näher an das Geschehen heranzuzoomen, sondern mentieren im Markt. In Deutschland mit seiner bedeuten-
können auch in einem neuen „virtual public viewing“ das den Medien- und Eventwirtschaft können neue Formate
Spiel aus K
atar in deutschen Stadien auf einem eigentlich durch frühe Feldversuche in mit früher 5G-Technik
leeren Rasen direkt über ihre Brillen verfolgen. Dazu gibt ausgestatteten Arenen auf ihre Praktikabilität und ihre
es natürlich noch die Möglichkeit der Interaktion unter- Akzeptanz bei Mediennutzern getestet werden und damit
einander durch ad-hoc online votings, die Einblendung erhebliches wirtschaftliches Potential erschlossen werden.
von Zusatzdaten, Zeitlupenwiederholungen nach Bedarf 2011 wurden je Haushalt und Monat für Kulturdienst-
sowie als In-Event-Kauf das Erleben des Spiels aus der leistungen durchschnittlich 56 € ausgegeben (Quelle:
Sicht eines Spielers oder auch des Balls (für Geübte, da Bundeszentrale für politische Bildung 26.11.2013). Auch
die Ballperspektive auf längere Sicht Übelkeit verursachen gerade mit einer alternden Bevölkerung ist dieser Bereich
kann) – ähnlich wie wir es heute von Formel-1-Übertra- ein Wachstumssektor. Neben den klassischen Interak
gungen kennen. tionsformen werden neue Endgerätetypen wie Augmented-
und Virtual-Reality-Brillen, aufrollbare oder faltbare Displays
Realisierung mit 4G: LTE bietet mit seinen Erweiterungen neue Mediennutzungen ermöglichen und auch den Zei-
wie LTE Broadcast und LTE advanced bereits heute bei tungs- und Zeitschriftenmarkt revolutionieren sowie neue
konsequenter Umsetzung ein breites Spektrum von ein- Impulse geben.
setzbarer Event- und eventbegleitender Technik. Kapazi-
tätssteigernde Maßnahmen wie license assissted access Maßnahmenempfehlung / Enabler: 5G Testszenarien und
(LAA) können durch Integration mit Endgeräten schon frühe Feldversuche mit realen Nutzern sollten in Leucht-
heute für kleine und mittlere Zuschauergruppen attraktive turmprojekten umgesetzt werden.
Pilotanwendungen der Mediennutzung bieten.
Anforderung an 5G: Die schnellen Übertragungsraten und
kurzen Latenzzeiten von 5G werden im Zusammenspiel
mit entsprechenden neuen Endgeräten insbesondere die
Nutzung von „augmented reality“ im Massenmarkt mit
1502.6 Realisierung mit 5G: Wo bislang zentralisierte Systeme
für Prognose und Betriebsführung mit wenigen Sensoren
Anwendungsfeld: und Aktoren zum Einsatz kamen, werden in Zukunft
Intelligente Energienetze dezentrale Systeme auf lokaler Ebene mit einem hohen
Vernetzungsgrad die Architektur bestimmen. Ziel wird es
Fallbeispiel: Dezentralisierung und Autarkie von regio sein, lokale und regionale Energieverteilnetze durch die
nalen Energieverteilnetzen mittels 5G ermöglichen dynamische Steuerung von Erzeugern, Lasten und Spei-
chern so zu optimieren, dass diese sich in einem energeti-
Wie bereits durch die „Projektgruppe Intelligente Energie schen Gleichgewicht befinden. Dazu sind Kommunikations-
netze“ ausgeführt ist die Energiewende eine der großen beziehungen in lokalen und regionalen Strukturen mit sehr
Herausforderungen aber auch Chancen Deutschlands. Der kleiner Latenz notwendig. Auch die direkte Interaktion
dazu notwendige Umbau der Energieversorgungsinfra- zwischen Verbrauchern und Erzeugern ohne Nutzung der
struktur erfordert den Einsatz innovativer IKT-Lösungen. Kerninfrastruktur des 5G-Netzes muss sichergestellt sein
(Device-2-Device-Kommunikation). Dazu können sowohl
Durch den massiven Zubau erneuerbarer Energien ändern Mechanismen für die Einzelkommunikation (unicast)
sich die Anforderungen an die Stromnetze grundlegend. wie auch für die Massenkommunikation (broadcast) zum
Die zunehmende Volatilität und Dezentralität der Energieer- Einsatz kommen.
zeugung erhöht die Komplexität und erfordert eine höhere
Flexibilität der Netze sowie eine angepasste Steuerungs- Um diese lokalen Energienetze umzusetzen, ist eine naht-
logik. Der verstärkte Einsatz von IKT wird sowohl beim lose Interaktion zwischen dem Energieverteilnetz und den
Aufbau als auch für den Erfolg von Smart Grids, in denen Steuerungssystemen von Industrie (Smart Factory) und
der Strombedarf aller Verbraucher intelligent abgeschätzt, Häusern (Smart Home) unerlässlich. Nur so wird es mög-
und auf dieser Basis die Erzeugung und Bereitstellung lich sein, eine regionale Balance zwischen Energieverbrauch
des Stroms dynamisch angepasst wird, eine entschei- und Energieerzeugung herzustellen, ohne einen Verlust in
dende Rolle spielen. Dies ermöglicht nicht zuletzt flexible der Versorgungsqualität der elektrischen Energie in Kauf
Geschäftsmodelle und dynamische Angebote, die zu nehmen zu müssen. Sowohl das Smart Home als auch
Änderungen im Verhalten der Verbraucher führen werden. die Smart Factory bzw. das Smart Building sind auf den
robusten, schnellen, günstigen und sicheren Austausch
Folgende Megatrends werden zu einer deutlichen Dezen einer hohen Menge an Daten angewiesen. Die Hauptan-
tralisierung der Energienetze führen: wendungsfälle im Bereich der Energiedaten, d. h. Über-
wachung des Energieverbrauchs und der Performance,
— Der massive Ausbau erneuerbarer Energieträger variieren zwischen einer Datengranularität von 1 Hz bis zu
— Die Dezentralisierung der Erzeugung 1 kHz im Schnitt, mit Spitzen bis zu 1 Mhz für Disaggre
bei hoher Volatilität gation von Verbräuchen. Diese Daten müssen entspre-
— Die dynamische Entwicklung der Elektromobilität chend schnell zwischen potentiellen Marktteilnehmern
— Die Steuerbarkeit lokaler Verbraucher über die Kommunikationsinfrastruktur lokal bzw. regional
(z. B. Wärmepumpen) ausgetauscht werden. Insbesondere mit den Anforde-
— Die wirtschaftliche Verfügbarkeit lokaler Speicher rungen rund um virtuelle Kraftwerke als auch Laststeu-
(Batterie, Wärmespeicher, Kältespeicher) erung (Demand Side Management) müssen diese Daten
— Die Umsetzung der Klimaziele der Bundesrepublik in „quasi“-Echtzeit zur Verfügung stehen. Der Anspruch
und der Atomausstieg in Deutschland an die Verfügbarkeit von 5G beinhaltet damit nicht nur
16Ergebnisdokument der Fokusgruppe 5G
Plattform „Digitale Netze und Mobilität“
Flächenverfügbarkeit, sondern auch die Verfügbarkeit des die übertragene Datenmenge. So ist eine umfassende
Dienstes in Gebäuden (deep indoor coverage). Wenn dazu Anwendung von 5G im Endkundengeschäft r ealisierbar.
noch Kombinationen mit weiteren Services wie Gebäu- Im Bereich der Endkunden sollte weiterhin auch der Ener-
desicherheit und -komfort zum Tragen kommen, erhöhen gieverbrauch auf das geringstmögliche N iveau gebracht
sich die Anforderungen an die Latenz. werden, um die Millionen von Geräten, welche in Zukunft
miteinander kommunizieren müssen, auch anbinden zu
Potentiale: Diese gesamthaften Anforderungen sind können.
insbesondere im Fall der Endkunden einhergehend mit
den Anforderungen an geringe Kosten, sowohl hinsicht-
lich der Kosten der Infrastruktur, als auch die Kosten für
Lokale Energie Systeme3
Sensor / Smart Meter Vermaschter Kommuikationskanal
zu weiteren Energienetzinseln
Steuerbare Last / Speicher
Steuerbare Erzeugung
Steuerbare Last / Erzeugung Energie- Kommunikations-
Management Lokaler Management
Netzbereich
Verbraucher Verbraucher
Kühlung Erzeuger-
Photovoltaik
Ma
rkt rkt
Ma
Erzeuger-
kombinierte
Erzeuger- Heizung
Photovoltaik
Speicher Verbraucher
Elektro Elektro
M
ar
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mobilität mobilität
kt
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Markt
3 Quelle: E.ON AG
17Weitere Anwendungsfälle: z. B. E-Health In der vollständig vernetzten Gesellschaft sind auch darüber hinaus zahlreiche Anwendungsfelder absehbar. Innovative elektronische Anwendungen im Gesundheits- bereich werden helfen, den Folgen des demographischen Wandels zu begegnen. Eine mobile telemedizinische Ver- sorgung wird insbesondere im ländlichen Raum helfen, eine gute Gesundheitsversorgung aufrecht zu erhalten. Durch neue Technologien und deren mobile Verfügbarkeit können Distanzen überwunden werden, beispielsweise im Bereich der Notfallmedizin. Share Economy Das Teilen von Ressourcen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Unter dem Schlagwort der Share Economy entwickeln sich Dienste, die die gemeinsame Nutzung in zahlreichen Facetten und unterschiedlichsten Modellen ermöglichen. Viele dieser Dienste benötigen mobile Daten verbindungen, um Verfügbarkeiten und Abrechnungsdaten zu erfassen. Die Verfügbarkeit von Echtzeit-Anbindungen wird auch hier neue Dienste ermöglichen. 18
Ergebnisdokument der Fokusgruppe 5G
Plattform „Digitale Netze und Mobilität“
03
Anforderungen der Anwendungsfälle
03.1 ereitstellung weiterer Frequenzen sowie deren B
B ündelung
werden sich die unterstützten Datenraten p roportional
Ultrahohe Datenraten steigern lassen. So werden in der Spitze Durchsatz-
Werte bis zu einstelligen Gbit/s und im Durchschnitt
Die vollständig vernetze Gesellschaft erwartet, dass hohe zweistellige bis maximal niedrige dreistellige Mbit/s
Breitbandverbindungen immer und überall in hoher erreicht werden. Dies ist jedoch keinesfalls ausreichend,
Qualität zur Verfügung stehen. Immer mehr Menschen um dem exponentiell wachsenden Bedarf gerecht zu
werden datenintensive Dienste, bisher meist audiovisuelle werden. 5G soll deshalb noch einmal deutlich höhere
Mediendienste, nutzen. Zukünftig wird die Verbreitung Datenraten von bis zu 10 Gbit/s in der Zelle ermöglichen.
von hochauflösenden und 3D-Inhalten weiter zunehmen. Damit können beim Nutzer 10- bis 100-mal höhere,
Auch zeichnet sich ab, das Augmented Reality und andere typisch erreichbare Datenraten ermöglicht werden.
Kommunikationsdienste weiter Verbreitung finden und
damit die Lebens- und Arbeitswelten der Menschen
verändern werden. Wichtige Anwendungsfelder ergeben
sich unter anderem im Kommunikationsbereich. Die
03.2
ortsübergreifende Zusammenarbeit in Teams wird durch Echtzeitreaktion – Taktiles
virtuelle Konferenzräume und 3D-Umgebungen global
und ohne Reisen noch weiter erleichtert bzw. unterstützt.
Internet
Berücksichtigt man, dass sich bei der Mobilfunknutzung In einer vollständig vernetzten Gesellschaft werden zu-
immer mehrere Geräte einen Zugangspunkt und die ver- künftig Anwendungen davon abhängen, dass Daten mög-
fügbare Datenrate teilen müssen, ergeben sich insbeson- lichst in Echtzeit zur Verfügung stehen. Beispielsweise
dere in dicht bevölkerten Gegenden (Innenstädte, hohe hängt das effektive Arbeiten in virtuellen Räumen davon
Gebäude und Veranstaltungsgelände) hohe Anforderun- ab, dass Reaktionen auf Eingaben ohne wahrnehmbare
gen an die Netzinfrastruktur, um den Bedarf nach sehr Reaktionszeiten (geringe Latenz) erfolgen. Auch in der
hoher Kapazität zu befriedigen. vernetzten Fabrik kommt es bei diversen Anwendungen in
der Steuerung von Maschinen und Robotern sowie bei der
Die heute in Deutschland verfügbaren LTE-Netze können Kontrolle von Prozessabläufen darauf an, dass eine Reak-
aktuell in städtischen Gebieten pro Frequenzband im tion möglichst in Echtzeit erfolgt. Ein weiteres wichtiges
Durchschnitt typischerweise zwischen 30 und 40 Mbit/s Beispiel ist auch das automatisierte Fahren. Nur wenn
und in der Spitze bis 300 Mbit/s Datendurchsatz liefern. wesentliche Informationen wie das Bremsverhalten sofort
In der Fläche können derzeit im 800-MHz-Band aufgrund an relevante Verkehrsteilnehmer gesendet werden, kann
größerer Reichweiten kostengünstiger z wischen 10 und es gelingen, Unfälle möglichst gänzlich zu verhindern.
20 Mbit/s durchschnittlich und 75 Mbit/s Spitzenwert zur
Verfügung gestellt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, Die Reaktionszeit wird technisch weitestgehend durch
dass die gesamte verfügbare Kapazität zwischen allen die Latenzzeit in der Informationsübermittlung zwischen
aktiven Nutzern aufgeteilt wird. Mit der Einführung von Sensoren und den agierenden Komponenten beeinflusst.
LTE-Advanced (sog. Shared Medium) in der Zelle und der In den bisherigen Kommunikationssystemen haben sich
19die Anforderungen an die Latenzzeit im Wesentlichen an in der Vergangenheit hauptsächlich eine entsprechende
Audioanwendungen orientiert. Deshalb weist die heutige Kapazität für Telefonie bereitgestellt werden musste, hat
Mobilfunkgeneration typischerweise Latenzzeiten zwi- sich das Nutzerverhalten bereits heute massiv verändert.
schen 20 und 80 ms auf. Die künftigen Multimedia- und Neben der Individualkommunikation der Veranstaltungs-
auch Maschinenanwendungen müssen sich zunehmend besucher, die mehr und mehr auch Videoinhalte beinhaltet,
an den Anforderungen sowohl des Auges als auch der werden zukünftig vom Veranstalter parallel zum Event
Berührungssinne orientieren. Die menschliche Reak diverse teilweise datenintensive Zusatzdienste angeboten,
tionsfähigkeit kann für taktile Interaktionen häufig welche die Besucher über ihre Eintrittskarte mit gebucht
Latenzzeiten von weniger als 10 ms erfordern. Für haben. Für jeden Nutzer muss daher ausreichend Kapazität
reflexähnliche Reaktionen können sogar Latenzzeiten in hoher Qualität vorhanden sein. Diese Kapazität wird
bis hinunter zu 1 ms erforderlich sein. Damit wirkliche aber nur für den Zeitraum der Veranstaltung benötigt.
Echtzeitanwendungen möglich werden, muss die nächste Das Netz muss also flexibel genug sein, um hierauf zu
Mobilfunkgeneration daher Optionen für die Kommunika- reagieren. Die Abdeckung solcher Räume oder F lächen,
tion mit möglichst geringen Latenzzeiten bereithalten, so die nur temporär von großen Menschenmengen genutzt
dass die reine Nachrichtenübermittlung nicht das limitie- werden, z. B. bei Festivals, mit einer leistungsfähigen
rende Element für die Reaktionszeit darstellt. mobilen Breitbandinfrastruktur muss zukünftig einfacher
möglich sein, als dies heute der Fall ist.
5G verfolgt als ein wesentliches Entwicklungsziel eine
möglichst geringe Ende-zu-Ende-Latenz, um auch extrem Ein wichtiges Zukunftsszenario ist die vernetzte Fabrik.
zeitkritische Kommunikation zwischen Menschen und Die Digitalisierung der Produktion erfordert neben der
Maschinen sowie zwischen Maschinen untereinander Steuerung der eigentlichen Produktionsprozesse eine
zu ermöglichen. Ziel ist dabei je nach konkretem Anwen- Vielzahl von Sensoren auf engstem Raum, die zwar
dungsfall eine Latenz von nur wenigen Millisekunden. jeweils keine hohen Datenraten benötigen, aber zuver-
lässig und mit kurzen Reaktionszeiten bedient werden
müssen. Insgesamt müssen künftige Kommunikations-
systeme eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen
03.3 mit diversesten Anforderungsprofilen befriedigen. Hierbei
Optimale Verfügbarkeit stehen die einzelnen Parameter wie hoher Durchsatz, ge-
ringe Latenzzeit, Zuverlässigkeit, große Anzahl vernetzter
Eine vollständig vernetzte Gesellschaft erfordert immer Geräte pro Zelle sowie Energieverbrauch und Kosten
und überall die Verfügbarkeit möglichst optimaler Kom- häufig miteinander im Konflikt. Manche Anwendungsfälle
munikationsdienste für Personen, oder vernetzte Dinge. erfordern eine Optimierung in mehreren Dimensionen, bei
Insbesondere die Nutzung in der Bewegung – in Autos und anderen liegt der Fokus mehr in Richtung eines einzelnen
Zügen oder Flugzeugen – stellt hohe Anforderungen an Schlüsselparameters.
das Mobilitätsmanagement in den Netzen. Die Übergabe
der Kommunikation von einer zur nächsten Funkzelle muss Es ist das Ziel und gleichzeitig eine Herausforderung
zuverlässig und mit hoher Geschwindigkeit funktionieren. an 5G, diese sehr diversen Anwendungsprofile mit der
nötigen Flexibilität jeweils optimal und zuverlässig zu
5G wird diese Verfügbarkeit ermöglichen und darüber hin- unterstützen.
aus eine umfassende Konvergenz zwischen allen Netzzu-
gangsarten realisieren und die digitale Plattform für alle
Kommunikations- und V ernetzungsanwendungen dar-
stellen. Großveranstaltungen mit einer hohen Konzentra-
tion von Nutzern auf kleinster Fläche stellen eine weitere
Herausforderung an Kommunikationsnetze dar. Während
20Ergebnisdokument der Fokusgruppe 5G
Plattform „Digitale Netze und Mobilität“
03.4 Es ist also von essentieller Wichtigkeit, bei der Entwick-
Sichere Verfügbarkeit lung der 5G-Netze höchste Widerstandskraft gegen
Cyber-Attacken von Anfang an zu berücksichtigen und
mit der Netz-Architektur auch eine Sicherheits-Archi-
In einer vollständig vernetzten Gesellschaft wird die Inter- tektur zu schaffen, die die Basis dafür bietet, in hohem
netverbindung eine ähnlich wichtige Funktion einnehmen Grade sichere 5G-Netze zu implementieren. Wenn etwa
wie heute die Stromversorgung. Ein Ausfall hätte enorme in verstärktem Maße Cloud-Umgebungen und „Software
wirtschaftliche Folgen. Defined Networking“ eingesetzt werden, so müssen diese
neuen Technologien auch adäquat abgesichert werden.
Eine neue Mobilfunkgeneration muss daher Sicherungs
mechanismen implementieren, die eine möglichst Sicherheit bedeutet natürlich neben dem Schutz der
umfassende und auch bei sehr hoher Belastung sichere Verfügbarkeit der Netze auch den Schutz der Daten, die
Verfügbarkeit der Netze insgesamt garantiert. in diesen Netzen transportiert werden bzw. in den ver-
schiedenen Netzelementen gespeichert sind, und muss
Bei 4G erfolgt die Leistung pro Zelle ohne eine dyna auch den Schutz der Endgeräte gegen Angriffe über
mische Anpassung an die Rahmenbedingungen. 5G-Netze umfassen. Die Nutzer müssen die Gewissheit
haben, dass sie 5G-Netze auch für sensible Anwendungen
5G wird die technologisch bedingten Beschränkungen der sicher nutzen können und dass ihre Privatsphäre stets
bisherigen Systeme (zellulare Netze) durch neue Prinzi gewahrt bleibt.
pien aufheben, und somit einem anderen Anspruch an die
Verfügbarkeit gerecht werden. Die Sicherheitsarchitektur bisheriger 3G- und 4G-Netze
hat sich als äußerst solide erwiesen und ist daher eine
hervorragende Basis, auf der unter Berücksichtigung
der neuen, zukünftigen Anwendungsszenarien und
03.5 Anforderungen die zukünftige 5G-Sicherheitsarchitektur
Sicherheit entwickelt werden kann. Zu den neuen Anforderungen
wird dabei auch eine erhöhte Flexibilität von Sicher-
In den letzten Jahren sind Kommunikationsnetze zuneh- heitsmechanismen zählen, so dass diese beispielsweise
mend in den Fokus verschiedener Angreifer gelangt. Das nicht nur leistungsfähigen Endgeräten wie Smartphones
Spektrum reicht dabei heute von einfachem Betrug, z. B. gerecht werden, sondern auch erlauben, einfache Inter-
Erschleichen kostenloser Kommunikationsdienste, bis net-of-Things-Geräte, wie z. B. Sensoren mit geringem
hin zu schwerer Kriminalität, beispielsweise der Erpres- Energie-Budget, sicher zu vernetzen.
sung von Netzbetreibern durch Androhung massiver
sogenannter Denial of Service Attacken, durch die Netze
gezielt „lahmgelegt“ werden können. Auch die Bedro-
hung durch Cyber-Terrorismus und Cyber-Kriegsführung
ist durchaus real. Vergangene Cyber-Angriffe richteten
sich bisher häufig gegen Internet-basierte Dienste und
weniger gegen Mobilfunknetze. Bereits jetzt ist aber ein
zunehmendes Interesse der „Hacker-Community“ an
Sicherheitslücken auch im Mobilfunkbereich zu be-
merken, und mit der erwarteten Allgegenwärtigkeit von
mobilen Diensten in allen Bereichen der Gesellschaft und
Wirtschaft wird dieses Interesse noch beflügelt werden.
2103.6 Mit 5G wird es möglich sein, eine bis zu zehnmal längere
Laufzeit solcher Niedrigenergie-Sensoren zu erzielen.
Energieeffizienz Kandidatentechnologien versprechen bereits heute eine
Batterielaufzeit von bis zu 15 Jahren für diese Art von
Die vollständig vernetze Gesellschaft wird in einem er- Niedrigenergie-Sensoren.
heblichen Maße durch die Vernetzung unterschiedlichster
Sensoren und die Auswertung der von diesen generierten Für die kommenden Jahre wird ein weiterer rasanter
Daten getrieben. Anstieg der jährlich transportierten Daten erwartet. Mit
der derzeitigen jährlichen Zunahme von etwa 60 % wird
Viele Sensoren werden nicht dauerhaft mit einer Strom- die zu übertragende Datenmenge in zehn Jahren das
quelle verbunden sein können. Die Anbindung mobiler und Hundertfache der heutigen Datenmenge betragen. Dies
fest installierter Sensoren muss daher mit einem möglichst ist nur realisierbar, wenn gleichzeitig die Energieeffizienz
geringen Energiebedarf erfolgen können. der gesamten Kommunikationsnetze entsprechend ge-
steigert wird.
Die heutige Anbindung geschieht noch meist über 2,5G
(GPRS), da 4G-Geräte für viele Sensoranwendungen einen
viel zu hohen Energiebedarf und zu hohe Gerätekosten
haben.
Charakteristika von 5G
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