Highspeed-Kommunikation mit 5G und Ethernet

Highspeed-Kommunikation und Edge Computing existieren in einem engen Zusammenspiel – das eine geht nicht ohne das andere. Ethernet sorgt für eine schnellstmögliche Übertragung von Gerätedaten in den Edge-Knoten. Edge Computing wiederum ermöglicht erst die Leistungsziele des 5G-Mobilfunkstandards.

Auch wenn es dank der rasanten Entwicklung der Halbleitertechnologie theoretisch möglich wäre, jedes einzelne vernetzte Gerät mit eigener Intelligenz und ausreichend Rechenkapazitäten auszustatten – sinnvoll ist es nicht. Zum einen sprechen die Kosten dagegen, zum anderen benötigen viele Applikationen Daten von mehr als nur einer Quelle. Zum Beispiel bei der vorausschauenden Wartung in der Industrie. Erst wenn möglichst viele, an verschiedenen Stellen einer Maschine platzierte Sensoren, Informationen liefern, kann ein Analyseprogramm daraus den Ausfall eines Bauteils vorhersagen.

Daher werden die Daten in einem Knoten, oder wenn man so will, in einem Minirechenzentrum, gesammelt und verarbeitet. Vielfach wird eine derartige Netzwerk-Architektur bereits als Fog Computing bezeichnet. Andere sehen dies noch als Edge Computing an. Gleich ob es sich um Edge oder Fog Computing handelt – viele der hier stattfindenden Applikationen erfordern leistungsstarke Kommunikationssysteme. Über die die Daten von den Sensoren, Aktoren oder Geräten in Echtzeit zum Minirechenzentrum und zurück übertragen werden können.

Highspeed-Kommunikation mit Ethernet

Dabei hat sich in den letzten Jahren ein Kommunikationssystem in vielen Bereichen durchsetzen können. Sei es in der Fabrik, im Auto oder im Gebäude: Das Ethernet. Verglichen mit traditionellen Bussystemen bietet Ethernet höhere Geschwindigkeiten und eine bessere Handhabung von großen Datenvolumen. Außerdem hat es geringere Kosten dank der hohen Energieeffizienz sowie flexibler und günstiger Bandbreitenoptionen. Heute ermöglichen Ethernet-Protokolle unter der Nutzung von Glasfaserkabeln Geschwindigkeiten von bis zu 400 Gbit/s, was für eine Highspeed-Kommunikation sorgt. Für Anwendungen im industriellen Bereich wurden zudem Echtzeit-Ethernet und Industrial Ethernet entwickelt, die mit geringstmöglicher Latenz arbeiten.

John D´Ambrosia, Chairmann des Industriekonsortiums Ethernet Alliance: „Ethernet umfasst ein dynamisches Ökosystem von Technologien. Sie lassen sich nahtlos integrieren, um die robuste Konnektivität bereitzustellen, die von zukünftigen Märkten und Anwendungen gefordert wird“, sagt John D’Ambrosia, Chairman der Ethernet Alliance. „Und selbst wenn die Netzwerke immer größer und schneller werden, stellt sich Ethernet erfolgreich den Herausforderungen dieser Netzwerke. Ethernet verfügt nicht nur über die Leistung, die für die Unterstützung von Netzwerken der nächsten Generation erforderlich ist, sondern ist auch ausgereift genug, um dies zuverlässig und kostengünstig zu tun.“ So geht das Konsortium, davon aus, dass in einigen Jahren eine Highspeed-Kommunikation in Geschwindigkeiten von bis zu 800 Gbit/s oder sogar 1,6 Tbit/s möglich sein werden.

Mobilfunkstandard für das IoT

Die Verbindung der über Ethernet vernetzten Geräte und Knoten mit der Cloud erfolgt dann über Breitbandkabel. Oder bei mobilen Anwendungen über Mobilfunk. Die Cloud stellt Ressourcen wie Speicherplatz oder (nicht zeitkritische) Rechenleistung sehr flexibel und skalierbar in zentralen Rechenzentren zur Verfügung. Doch allein die Anzahl der zukünftig vernetzten Geräte bringt heutige Datenübertragungssysteme an ihre Grenzen. Zumindest die für mobile Anwendungen erforderlichen Funk-Technologien. Denn das heute schnellste Mobilfunknetz – LTE bzw. 4G – kann gerade einmal 2.000 aktive Geräte auf einem Quadratkilometer unterstützen. Das kontinuierliche Wachstum bei der Zahl vernetzter Geräte im Internet der Dinge (IoT) erfordert aber deutlich mehr aktive Verbindungen.

Die Lösung liegt im 5G-Standard. Mit ihm sollen bis zu 100.000 aktive Geräte, in Zukunft sogar bis zu 1 Millionen Geräte, pro Quadratkilometer unterstützt werden können. Doch auch bei einer Datenübertragungsrate von bis zu 10 Gbit/s funktioniert 5G nur mit Edge Computing. Zum einen wäre bei der gigantischen Zahl an vernetzten Geräten, die für die Zukunft erwartet werden, das Mobilfunknetz schlichtweg überlastet, wenn alle Daten zur Verarbeitung in die Cloud geschickt würden. Zum anderen benötigen Anwendungen wie das autonome Fahren oder in der Industrie 4.0 Latenzzeiten von unter 10 Millisekunden, teils sogar von 1 Millisekunde. Um diese Reaktionszeiten zu erreichen, dürfen auch bei 5G die Übertragungswege nicht zu lang sein.

An jedem Mobilfunkmast ein Minirechenzentrum

Daher platzieren die 5G-Anbieter kleine Rechenzentren am Rande ihrer Mobilfunknetze, quasi direkt an der 5G-Antenne. Dies ermöglicht es ihnen, eine Reihe von Anwendungen und Diensten zu hosten oder bereitzustellen, die von einer geringen Latenzzeit profitieren. Gleichzeitig können sie so die Menge des Datenverkehrs reduzieren, der an das Kernnetz zurückgeleitet werden muss. Das senkt die Datenübertragungskosten – kurz gesagt, Edge Computing spart dem Mobilfunkbetreiber Geld. Zudem führt es zu einer Verbesserung des gesamten mobilen Nutzererlebnisses für den Verbraucher. Aufgrund der geringen Latenzzeiten nimmt die Reaktion des Mobilfunknetzes spürbar zu. Würden zum Beispiel TV-Sendungen und Filme in der Edge zwischengespeichert, würde das Video-Streaming auf mobilen Gerät fast sofort beginnen.

Ohne Edge Computing könnte 5G also nicht die angestrebten Leistungsziele von sehr geringer Latenz und massivem Breitband erreichen. „Edge Computing ist erst vor einigen Jahren auf der Bühne der Mobilfunkindustrie erschienen und hat inzwischen eine große Bedeutung“, sagte Iain Gillott, Präsident und Gründer des auf mobile Kommunikation spezialisierten Beratungsunternehmens iGR. „Wir glauben, dass Edge Computing letztendlich unerlässlich sein wird, um das volle Potenzial von 5G zu realisieren.“

 

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