Ermöglichen von Innovationen in der 5G-Ära

Industrie 4.0, 5G IIoT, IoT, AI, AR, Cloud, Fog, Edge, MCC, Knoten und Gateways. Eigentlich sollte alles einfacher werden, aber die Zahl der Begriffe und Abkürzungen wächst weiter. Wir träumen von einer ausfallsicheren automatisierten Produktionsanlage, die sich schnell und flexibel an individuelle Bedürfnisse anpassen lässt.

Der neue Mobilfunkstandard 5G ist in Deutschland startbereit. Die Einführung wird einer der wichtigen Meilensteine im Rahmen der Realisierung verbesserter Automatisierungskonzepte wie diesem darstellen, die derzeit mit Begriffen wie Industrie 4.0 und IIoT beschrieben werden.

Hundertmal schneller als LTE kann der 5G-Standard Daten

drahtlos mit Geschwindigkeiten von bis zu 20 Gbit/s mit einer Latenz von weniger als 10 ms übertragen. Andere Eigenschaften, die für 5G erforderlich waren, sind beispielsweise eine hohe Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Energieeffizienz und Gerätedichte bei guter Zugänglichkeit.

5G wurde jedoch nicht ausschließlich für industrielle Anwendungen entwickelt. Es zielt im Wesentlichen auf drei Bereiche ab: Enhanced Mobile Broadband, Massive IoT und Mission Critical Communications (MCC). Bei Letzterem geht es um das Thema, das wir hier näher behandeln wollen. Die wesentlichen Kriterien für MCC sind hohe Zuverlässigkeit, sehr geringe Latenz und sehr gute Verfügbarkeit.

Was kann 5G für Produktionsvorgänge in der MCC-Umgebung bedeuten und welche Produkte können die Anforderungen hardwareseitig unterstützen? Betrachten wir zunächst ein Beispiel, nämlich eine Person, die verschiedene Sensoren verwenden möchte, um die Gesundheit des Ökosystems ihres Körpers zu überwachen und zu kontrollieren. Die meisten von uns wissen dies bereits aus eigener Erfahrung – wir nutzen unseren persönlichen Edge-Computer oder -Server, auch bekannt als Smartphone, um Daten dort zu sammeln und auszuwerten, wo sie auftreten. Unter anderem zählt er unsere Schritte, misst unseren Wärmeverbrauch, bestimmt unseren Standort und unsere Höhe und verarbeitet diese Daten nahezu umgehend, um uns nutzbare Ergebnisse zu liefern.

Natürlich konnten diese Parameter auch vor der Einführung von Smartphones ausgewertet werden, aber damals musste man die Daten erst sammeln und manuell in einen Computer eingeben und dann ein Programm verwenden, um alles auszuwerten. Smartphones haben es uns ermöglicht, auf Bedingungen wie kritische Gesundheitsparameter in Echtzeit zu reagieren. Da die Programme in der Regel direkt auf dem Smartphone ausgeführt werden können und die Daten nicht erst in ein Programm hochgeladen werden müssen, das auf einem (Cloud-)Server installiert ist, ist das Smartphone in diesem Beispiel in der Tat eine Art Edge-Computer, da es viele Daten direkt vor Ort sammelt und auswertet – ein Aspekt, der eine der Anforderungen von 5G MCC unterstützt, nämlich niedrigere Latenzzeiten.

Die Situation ist genau die gleiche, wenn wir mit 5G-Technologie Produktionsprozesse im Rahmen von Industrie 4.0 auf ein höheres Niveau bringen wollen. Eine große Anzahl von Sensoren kann unabhängig von der vorhandenen Kabelinfrastruktur drahtlos mit einem Edge-Computer vernetzt werden und einen Prozess praktisch in Echtzeit überwachen und geeignete Korrekturmaßnahmen auslösen.

Eine gute Erreichbarkeit all dessen wird durch eine Massive MiMo-Antennentechnologie im Randfeld gewährleistet, zusammen mit zuverlässigen und schnellen Steckverbindern in der Hardware des Edge-Servers oder Computers. Die Leistungsfähigkeit der mit den Sensoren verbundenen Antennen ist ebenfalls sehr wichtig, da eine geringe Latenz wenig nützt, wenn z.B. ein Gabelstapler versehentlich in der Nähe einer Antenne geparkt wurde und unbeabsichtigt den Empfang und die Übertragung beeinträchtigt.

Sehen wir uns nun das Smartphone-Beispiel noch einmal an. Technologien haben es ermöglicht, in dieser Situation eine Echtzeitkontrolle zu erreichen. Eine davon ist die verbesserte Prozessorleistung – Geräte der ersten Generation wären von den heute üblichen biometrischen Datenerfassungsaufgaben völlig überfordert – aber Parameter wie Geschwindigkeit und Genauigkeit des Datenzugriffs, z. B. Standortdaten (GPS, GNSS, etc.), wurden durch entsprechende Funk- und Antennentechnologie verbessert.

Unsere Testlabors mit geeigneten Simulationen ermöglichen es uns, Antennen zu entwickeln, die es ermöglichen, Geräte energieeffizient, leicht zugänglich und auch bei hoher Übertragungsdichte hoch funktionsfähig zu gestalten. Hier können wir auf das gesamte Spektrum der aktuellen Antennentechnologien zurückgreifen, einschließlich Chipantennen, flexibler Antennen und komplexer 3D MID-Antennenstrukturen, und im Bereich der Massive MiMo-Antennen arbeiten wir sehr aktiv an der Entwicklung von speziellen Steckverbindern für einen zuverlässigen Anschluss der Antennenvielfalt an die Sender- und Filterkomponenten.

Massive MiMo mit Strahlformung ist eine Schlüsseltechnologie für die 5G-Datenübertragung. Eine große Anzahl von Antennenelementen, die in einem Schachbrettmuster angeordnet sind, kann einen fokussierten Übertragungsstrahl in eine bestimmte Richtung lenken, anstatt einen ganzen Sektor gleichmäßig mit Funksignalen zu überdecken, wie es bei früheren Systemen der Fall war. Dies führt zu weniger Interferenzen, einem effektiveren Datenaustausch und letztlich zu einer höheren Spektraleffizienz.

Auf der Edge-Seite, unabhängig davon, ob es sich um einen kleinen Edge-PC oder einen Edge-Server handelt, der für ein größeres System entwickelt wurde, bietet TE mehrere neu entwickelte Hochgeschwindigkeits-Steckverbinderlösungen an, die einen wichtigen Beitrag zur Erreichung einer geringen Latenz in einem modularen System leisten. Zusammen mit Sockeln für die neuesten CPUs haben wir in dieser Produktgruppe eine neue Technologie für den zuverlässigen Kontakt mit zukünftigen Komponenten entwickelt, wie z. B. Hochleistungsgrafikprozessoren (GPUs) mit hohen Pinzahlen (z. B. mehr als 10.000). 

Modernste Backplane-Steckverbinder und Card-Edge-Steckverbinder mit Datenraten von derzeit bis zu 112 Gbit/sec pro Differentialpaar sind hier bereits möglich. Sie entsprechen den neuesten Standards wichtiger Organisationen wie PCIe Gen5 und PCI-SIG. Die Liste der Produkte ist lang und es besteht die Gefahr, sich in den Details zu verlieren, aber wir halten es für wichtig, zu kommunizieren, dass wir ein Top-Spieler und Partner für Sie sein können, wenn es um Entwicklungen rund um 5G und Edge Computing geht.