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5G und Edge Computing in IoT: Woher kommt der Mehrwert?

Februar 25, 2021

Im Jahr 2025 wird es über 40 Milliarden vernetzte IoT-Geräte geben, die laut einem aktuellen Bericht der International Data Corporation etwa 80 Zettabyte an Daten generieren werden. Das sind etwa 2 Terabyte pro Gerät. Bei so vielen drahtlosen Produkten und so vielen Daten, die ins Netzwerk kommen, wächst der Bedarf an gemeinsamer Rechenleistung, um diese Daten in Echtzeit zu sammeln und näher an den Endnutzern zu verarbeiten. Genau hier sollten 5G und Edge Computing die Zügel in die Hand nehmen.

Edge Computing und 5G: Gemeinsam sind sie stark

Edge Computing als dezentralisiertes Datenverarbeitungs-Paradigma hebt die Einschränkungen zentralisierter Systeme auf. Daten können so in Servern verarbeitet und analysiert werden, die sich am Edge (Rand) befinden, d. h. näher an den Anwendungen selbst. Oder sie können sogar in den Geräten selbst verarbeitet werden. Die Integration mit 5G hilft auch dabei, große Datenmengen schneller bereitzustellen. Und das macht es zu einer idealen Lösung für Edge-Computing-Netzwerke.

Viele innovative IoT-Lösungen benötigen eine erhöhte Konnektivität am Netzwerk-Edge, um große Mengen an Informationen schnell zu übertragen und zu verarbeiten.Ein Beispiel sind autonome Fahrzeuge: Sie sammeln Daten von ihren eingebauten Sensoren und teilen sie mit anderen Fahrzeugen auf der Straße. Mit Edge Computing bleiben diese Daten in der Nähe und die 5G-Technologie sorgt dafür, dass sie möglichst schnell dorthin gelangen, wo sie benötigt werden.

Studien von Gartner zeigen, dass der Anteil der von Unternehmen generierten Daten, die außerhalb zentraler Rechenzentren oder Clouds verarbeitet werden, von 10 % im Jahr 2018 auf 75 % im Jahr 2025 steigen wird. Dieser Anstieg zeigt, dass die Vereinigung der Vorteile beider Technologien – Edge Computing und 5G – für Unternehmen aller Branchen eine äußerst vielversprechende und leistungsstarke Kombination darstellt.

Vorteile von 5G und Edge Computing für IoT

5G und Edge Computing im IoT sind seit 2019 untrennbar miteinander verbunden. Mit 5G erhöht sich die Geschwindigkeit um das bis zu Zehnfache gegenüber 4G. Edge Computing beschleunigt die Reaktionszeit, indem es die Datenverarbeitung näher an Geräte und Nutzer bringt. Zusammen verbessern diese Technologien den Betrieb von IoT-Anwendungen. 5G und Edge Computing ergänzen sich so gut, als wären sie für den gemeinsamen Einsatz konzipiert worden. Was 5G und Edge Computing bieten:

  • Ultra-niedrige Latenz. In Kombination mit 5G reduziert Edge Computing die Latenz erheblich und ermöglicht die Bereitstellung geschäftskritischer Dienste, die Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC) – die ultra-zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz – erfordern.
  • Exponentielle Bandbreite. 5G beschleunigt die Bandbreite. Das heißt: Mehr vernetzte Geräte können verarbeitet werden, die in wenigen Millisekunden reagieren.
  • Hohe Leistung. Mit 5G ist es möglich, schnell mit dem Edge zu kommunizieren, und Edge-Anwendungen können schnell auf die ständig wachsende Nachfrage der Verbraucher reagieren.
  • Datensicherheit. Edge-Computing bringt Cloud-Computing-Funktionen an entfernte Standorte und bietet lokale Verarbeitung und Speicherung, wenn Sicherheit im Mittelpunkt steht. 
  • Minimierter Datenverkehr im Netzwerk. Edge-Computing aggregiert und verarbeitet IoT-Daten am Rande des Netzwerks und reduziert so den Datenverkehr und die Kosten für Übertragung. 
  • Geringerer Stromverbrauch. Indem die Datenverarbeitungsleistung vom Gerät entfernt und an den Rand verlagert wird, reduziert die Edge-Computing-Technologie den Energieverbrauch.

Erfolgreiche Use Cases für 5G und Edge Computing im IoT

Es gibt viele reale Anwendungsbeispiele für 5G und Edge Computing. Ihre Synergie kann vielen Branchen zugutekommen, indem sie Wertschöpfungsketten umgestalten, Umsatzmodelle verbessern und Abläufe optimieren. Gehen wir auf die Branchen näher ein, die vom 5G-Edge-Computing-Ökosystem bereits profitieren:

Automotive

Autonome Fahrzeuge gehören zu den anspruchsvollsten Edge Devices. Sie erzeugen bis zu 5 TB an Daten pro Stunde und müssen diese sofort an Bord verarbeiten. Nur einige Daten werden zur weiteren Analyse und Algorithmusverfeinerung an nahe gelegene Server gesendet. 

Schauen wir uns die Lösungen an, die mit Edge- und 5G-Technologie möglich geworden sind:

Fahrerassistenzsysteme (ADAS). Mit Edge- und 5G-Technologien hat ADAS eine neue Position auf dem Markt gefunden. Durch die Verwendung eingebauter Fahrzeugsensoren mit robusten Edge-Computing-Systemen und 5G-Supergeschwindigkeit werden mehr Sensordaten mit weniger Redundanzen analysiert – zehnmal schneller als mit 4G. 

Continental ist ein deutsches Technologieunternehmen, das sich auf intelligente und erschwingliche Lösungen für Fahrzeuge, Maschinen und Transport spezialisiert. Es setzt auf lokales Cloud-Computing (Multi-Access Edge Computing – MEC), um vernetztes Fahren sicher zu machen.

„Die Schließung der Lücke zwischen lokalen Echtzeitanwendungen und Cloud-Diensten wird es uns ermöglichen, automatisiertes Fahren zu verbessern und zu erreichen, dass Fahrzeuge miteinander kooperieren. Darüber hinaus können lokale Dienste die Datenrate von LTE- oder 5G-Netzen effektiv nutzen. Continental arbeitet derzeit an einer Fahrzeugarchitektur, die auf dieser Kommunikationstechnologie basiert.“

Ronald Hain, Leiter der Backend-Entwicklung bei Continental

 

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Unvorsichtiges Fahren erkennen. Die Daten des Beschleunigungsmessers und des Gyrometers des Fahrzeugs, die bei hoher Geschwindigkeit vor Ort gesammelt und berechnet werden, erhöhen die Fahrsicherheit. Dank der Vor-Ort-Analyse kann das System rechtzeitig Warnungen senden, um Standards des sicheren Fahrens aufrechtzuerhalten. Die Daten werden engmaschig überprüft, um jede plötzliche Beschleunigung, unmittelbares Bremsen und Autounfälle zu erkennen. Oder, wann der Einsatz eines Airbags notwendig ist.

Fahrzeugzustand kontrollieren. On-Board-Diagnosetools, Sensoren und Schnittstellen helfen, Probleme in Echtzeit zu erkennen und entsprechende Warnungen für Fahrer zu generieren. Dank der Edge-Computing-Technologie wird eine kontinuierliche Überwachung möglich. Das System kann jedes Risiko oder jeden Ausfall vorhersagen, bevor ein tatsächlicher Schaden eintritt.

Datenschutz im Fahrzeug. Sensoren im Auto produzieren jede Sekunde wichtige Daten. Wenn diese Daten beschädigt oder falsch übertragen werden, kann dies zu Unfällen führen. Um den Datenschutz zu gewährleisten, benötigen Unternehmen ein robustes Ökosystem aus Edge-Infrastruktur und 5G-Hochgeschwindigkeitsverbindungen.

Mercedes nutzt Edge-Server und 5G-Funkkommunikation, um die Latenz zu reduzieren und die Bandbreite für Sensoren mit Echtzeit-Authentifizierung zu erhöhen. Auf diese Weise stellt das Unternehmen sicher, dass seine Autos nicht gehackt werden.

Intelligentes Transportwesen

Intelligente Verkehrssysteme tragen zur Umwandlung von Städten in digitale Knotenpunkte bei. Sie helfen, die Effizienz des Verkehrs zu steigern: Sie minimieren Störungen im Verkehrsfluss, verbessern die Mobilität, indem sie Nutzern Auskunft über den Verkehr geben, die Reisezeit der Pendler reduzieren und ihre Sicherheit und ihren Komfort erhöhen.

Die große Anzahl von Sensoren entlang der Straßen, in intelligenten Fahrzeugen und in Parksystemen erzeugt enorme Datenmengen. Dies erfordert die massive Leistung von 5G und Edge Computing. Verbesserte Latenzzeiten, höhere Netzwerkkapazitäten und die Beseitigung einer geringen Abdeckung bedeuten schnellere und genauere Erkenntnisse. Das wiederum hat eine bessere Leistung, einen reibungsloseren Transit- und Verkehrsfluss und weniger Unfälle zur Folge.

Gesundheitswesen

Das Gesundheitswesen generiert Unmengen von Daten, und 2020 hat die Branche bahnbrechende Fortschritte in Bezug auf die digitale Transformation gemacht. Die Verfügbarkeit von kritischen Echtzeit-Datenanalysen kann buchstäblich den Unterschied zwischen Leben und Tod bedeuten. Die Analyse dieser Daten in der Cloud oder in zentralen Rechenzentren birgt jedoch mehrere Gefahren – Bandbreitenüberlastung, Geschwindigkeit der Datenübertragung, Netzwerkzuverlässigkeit und Latenzzeit. Sie können sich negativ auf die Behandlungsergebnisse auswirken. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, setzen Gesundheitsorganisationen auf 5G und Edge Computing.

Telemedizin

IoT, 5G und Edge Computing haben Telemedizin und Fernüberwachung von Patienten zugänglicher gemacht denn je. Vernetzte medizinische Geräte können die Gesundheitsparameter von Patienten in Echtzeit erfassen, darunter Körpertemperatur, Herzfrequenz, Blutdruck, Blutzucker und EKG. Diese Geräte generieren sensible Daten, die eine schnelle Analyse und sofortige Entscheidungen erfordern. 

Mit 5G-basiertem Mobile Edge Computing werden Daten über den Gesundheitszustand von Patienten schnell, genau und datenschutzkonform analysiert. Das Netzwerk zeichnet den Gesundheitszustand des Patienten auf, stellt Krankheitsanalysen für Ärzte und Patienten bereit und bietet zusätzliche Möglichkeiten für die Patientenbehandlung. Anhand dieser Daten bewerten Gesundheitsdienstleister den Zustand des Patienten und geben unmittelbar Feedback.

Der „Giga for Health“ an der Uniklinik Düsseldorf ist der erste 5G-Medizincampus in ganz Europa. Die NRW-Landesregierung fördert das Projekt. Mit dem Einsatz des schnellsten Mobilfunkstandards wird die Krankenhauswelt des Landes für die digitale Zukunft fit gemacht.

„Schnelle und digitale Technik kann Leben retten. Das haben wir nicht zuletzt während der Corona-Pandemie gesehen. Der sichere Austausch von Daten mit hoher Geschwindigkeit ist wichtig, um in Echtzeit und verlässlich den Zustand von Patient:innen beurteilen zu können.“

Prof. Dr. Dr. Frank Schneider, Ärztlicher Direktor und Vorstandsvorsitzender des Universitätsklinikums Düsseldorf

 

Schneider nennt Anwendungsbeispiele dieser Technologien: 

  • Monitoring-Patches in der Notfallmedizin. Den Patienten wird in der Notaufnahme und den Stationen ein Technik-Pflaster auf die Haut geklebt. Es misst Vitalwerte und sendet die Daten in Echtzeit über das 5G-Netz an eine zentrale Patientenüberwachungseinheit. Wenn die Herzfrequenz nicht stimmt, kann so schnell reagiert werden.
  • Сomputerassistierte Tumorchirurgie. Mit Mixed Reality können hochkomplexe 3D-Strukturen des Gehirns und deren funktionelle Strukturen virtuell in den Raum projiziert werden. Somit können Ärzte sich besser orientieren.

Vernetzte Ambulanz

Ein vernetzter Krankenwagen sammelt und überträgt Informationen über Patienten durch Wearables, Sensoren oder Streaming von HD-Video-/Körperkameras und sendet sie an das Krankenhaus, während der Patient transportiert wird. So erhalten die  Krankenhausärzte lebensrettende Informationen bevor die Patienten eintreffen. Sie können sie besser verstehen und die Behandlung vorbereiten.

Niedrige Latenz, hohe Bandbreite, hohe Zuverlässigkeit, Sicherheit, Mobilität und Fähigkeiten zur Datenverarbeitung von Edge Computing und 5G ermöglichen es Sanitätern vor Ort, die Situation schneller und genauer zu bewerten und so die Behandlung besser einzuleiten. Dieses leistungsstarke Duo hilft auch dabei, dem Krankenhaus präzise Informationen über den Status und den Standort der ankommenden Patienten zu liefern.

Diagnose

Zuverlässige und sichere Netzwerke mit hoher Bandbreite sind entscheidend für eine schnelle Diagnose – von der Bildgebung und Radiologie bis hin zur Datenanalyse und Patienteninformation. Mit Hochgeschwindigkeitsdiensten können Bilder und Patientendateien ohne Verzögerungen beim Hochladen von Daten in Edge-Netzwerken gespeichert werden, die über eine große Bandbreite, eine höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit und geringere Latenzzeiten verfügen.

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Enlitic, ein führender Entwickler von KI-Software für schnelle und genaue Diagnosen, nutzt die Leistungsfähigkeit von KI, 5G und Edge Computing für seine Tools. Diese Kombination aus Technologien kann Bilder und Scans viel schneller analysieren und interpretieren als herkömmliche Mittel. Außerdem liefert sie Befunde und Daten in Echtzeit, sodass Fachleute sofort präzise Behandlungsentscheidungen treffen können.

Industrielle Fertigung

5G und Edge Computing in der industriellen Fertigung bieten Möglichkeiten, die über Fabrikautomatisierung hinausgehen. Fertigungsunternehmen sehen ihren Wert in genaueren Vorhersagen von Anlagenausfällen, höherer Fertigungseffizienz und -sicherheit, minimierten Ausfallzeiten, niedrigeren Kosten, geringerem Wartungsbedarf und Produkten mit höherer Qualität.

Predictive Maintenance

Edge-Computing-Technologie kann für Fernpumpen, Inspektionen von Verteilerstandorten und Datenverarbeitung verwendet werden, die über 5G-Netzwerke mit dem primären Automatisierungssystem verbunden sind. Dies ermöglicht die Überwachung und Identifizierung potenzieller Ausfälle und Diskrepanzen in den Daten in Echtzeit. Mit der hohen Geschwindigkeit von 5G können automatisierte Steuerungssysteme in Notfällen sofort reagieren. 

Öl- und Gasunternehmen nutzen 5G und Edge-Computing-Leistung für Wartungs- und Reparaturarbeiten. Dazu gehören AR/VR-Apps, die Techniker bei Reparaturen begleiten, und Drohnen für visuelle Inspektionen von Maschinen, Brücken oder Pumpstationen. In all diesen Fällen hilft der Einsatz fortschrittlicher Analysen, potenzielle Defekte oder wartungsbedürftige Elemente zu identifizieren.

Smart Factories

In intelligenten Fabriken erfassen vernetzte Geräte ihre Umgebung und interagieren mithilfe von 5G- und Edge-Computing-Netzwerken der nächsten Generation miteinander, was eine dezentrale Entscheidungsfindung ermöglicht.

5G-fähige Sensoren beschleunigen automatisierte Prozesse und ermöglichen es Maschinen, sich selbst zu aktualisieren und neue Prozesse zu initiieren. Diese Sensoren bewerten die Qualität der gefertigten Produkte in Echtzeit und reduzieren so den Überarbeitungsbedarf. 

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Das Unternehmen Ericsson nutzt 5G-Netzwerke und Edge-Technologien, um eine neue Generation der intelligenten Fertigung einzuführen. Drei Ericsson-Fabriken in Schweden, Estland und China nutzen diese Technologien, um eine gleichzeitige Produktanpassung und maximale Produktionsleistung zu ermöglichen. Ihre intelligenten Fabriken sind mit einem Netzwerk aus vernetzten Maschinen ausgestattet, die es den Herstellern ermöglichen, Daten in Echtzeit zu sammeln, zu analysieren und zu verteilen.

Geschäftswert von 5G und Edge Computing

Die Kombination von 5G und Edge Computing mit ihrer verbesserten Bandbreite und Latenz machte das theoretische Konzept „Kommunikation überall und jederzeit“ zu einer gelebten Realität. Durch 5G und Edge Computing in ihren IoT-Lösungen können Unternehmen 

  • auf Daten-Insights in Echtzeit reagieren und unzulässige Verzögerungen in Anwendungen verhindern,
  • Informationen über die Produktion in Echtzeit erhalten und Einstellungen zur Optimierung der Effizienz anpassen,
  • neue Märkte erschließen und testen, indem sie die Rechenkapazitäten am Rand oder in der mit 5G verbundenen Cloud erweitern,
  • nahtloses Kundenerlebnis bieten und völlig neue Dienste für ihre Branche entwickeln, 
  • die Leistung optimieren, die Effizienz des Betriebs verbessern und Einnahmen steigern.

Neben der Optimierung öffnet diese digitale Kombination die Tür für noch innovativere Lösungen, die auf den Markt drängen.

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