Wie 5G-Netze das IIoT an die Spitze bringen werden

Der Wert von 5G-Netzwerken könnte auf dem industriellen IoT-Markt bis 2026 ein Volumen von 15,7 Milliarden US-Dollar erreichen – mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 79,1 %. Dabei profitieren Installationen vor allem von den höheren Übertragungsgeschwindigkeiten sowie einer größeren Dichte angeschlossener Geräte im selben Netzwerk. Ein weiterer Vorteil sind die kürzeren Wartezeiten zwischen empfangenen Befehlen und ausgeführten Aktionen.

Bereits 4G-Netzwerke verbesserten die Funktion industrieller Anwendungen, die eine drahtlose Kommunikation zwischen Geräten nutzen. 5G-Netzwerke wiederum sollen den Weg für eine Vielzahl neuer Ideen ebnen. In der Industrie ist 5G der 4G-Technologie weit überlegen: Die Latenzzeit bei der Datenübertragung beträgt bei 5G nur 1 Millisekunde, im Vergleich zu 200 Millisekunden bei 4G. Die Anzahl der Geräte, die sich an ein einziges 5G-Netzwerksegment anschließen lassen, beträgt 1 Million pro km² – 100 Mal mehr als ein 4G-Netzwerk bewältigen kann. Dazu ist es möglich, dass die 5G-Übertragungsgeschwindigkeiten 15 bis 20 Gbps erreichen: Das ist mehr als das Tausendfache von 4G, das nur 7 bis 17 Mbps im Upload und 12 bis 36 Mbps im Download ermöglicht.

In industriellen Umgebungen umfasst die Betriebstechnologie (OT) eine Vielzahl von festen und mobilen Netzwerkverbindungen, von denen viele in Echtzeit funktionieren müssen. Anwendungen wie digitale Zwillinge, Videofernüberwachung, automatisierte Produktionslinien, vorausschauende Wartungssteuerung sowie die Herstellung chemischer Mischungen können je nach verwendetem Netzwerk eine hohe Fehlerquote aufweisen. Dazu müssen die derzeitigen Implementierungen auf verschiedene Arten von Parallelsteuerungen zurückgreifen, um sich an die Protokolle und ihre Besonderheiten anzupassen.

In 5G-Netzen werden diese Hindernisse überwunden: In 4G-Netzen konnten Smartphones bereits Audio- und Videodaten in Echtzeit streamen, wobei allen angeschlossenen Geräten dieselbe Bandbreite zugewiesen wurde. In der neuen Generation hingegen wird jedes Gerät das Netz mit seinen eigenen Merkmalen und Bedürfnissen auf unterschiedliche Weise nutzen. Smartwatches benötigen möglicherweise eine geringere Datenübertragungsrate, während autonome Autos eine größere Bandbreite nutzen, um mehr Daten mit geringerer Latenz zu übertragen.

Die Flexibilität von 5G-Netzen passt sich an die wachsende Nachfrage nach neuen Verbindungen und den zunehmenden Datenverkehr in Mobilfunknetzen an. Ericsson prognostiziert, dass die Zahl der vernetzten Geräte jährlich um etwa 25 % zunehmen wird, während die Datenübertragung im gleichen Zeitraum um 60 % steigen soll. Das größte Plus sind jedoch die Energieeinsparungen, die erzielt werden können: Mit dieser neuen Technologie kann die Informationsverarbeitung besser über das Netz verteilt und an den Bedarf der Anwendungen angepasst werden. Möglich wird dies zum einen durch die Konzentration der Datenverarbeitung in der Cloud, wodurch der Akku des Geräts geschont wird. Zum anderen findet die Durchführung der Berechnungen am Rande des Netzes statt, während große Mengen an Informationen gesammelt werden.

Um eine noch bessere Kontrolle über die Netzverwaltung und -überwachung zu ermöglichen, erlaubt 5G das Network Slicing, wobei das Netz in einzelne Teile gesplittet wird, die spezifische Merkmale für die jeweilige Anwendung aufweisen. So lässt sich die Verschwendung von Ressourcen vermeiden und die bestmögliche Leistung gewährleisten. Diese Funktion kann sogar als ein einziges privates Netzwerk konfiguriert werden, das jedoch auf verschiedene Standorte aufgeteilt und von einem einzigen Punkt aus verwaltet wird – was den Alltag eines jeden Technikers erheblich erleichtert.

Doch die Überschneidung von 5G und dem industriellen Internet der Dinge (IIOT) birgt auch einige Gefahren. Die Welle von Cyberangriffen auf Unternehmen bereitete Führungskräften große Sorgen. Es gibt zahlreiche Berichte über Eingriffe in Betriebs- und Industrienetzwerke über Geräte wie 3D-Drucker, Kameras, Smart-TVs, Set-Top-Boxen, Sicherheitskameras, medizinische Geräte, Geolocation-Sensoren, vernetzte Glühbirnen, Smartwatches und sogar Haushaltsgeräte sowie autonome Autos. Zscaler hat einen Bericht veröffentlicht, in dem das Unternehmen über zwei Wochen hinweg nicht weniger als 575 Millionen Transaktionen auf 550 verschiedenen Geräten analysiert hat. Davon standen 300.000 unter Malware-Verdacht und wurden blockiert. 98 % der Opfer dieser Angriffe waren Technologie-, Produktions-, Einzelhandels- und Gesundheitsunternehmen in Irland, den Vereinigten Staaten sowie China.

Außerdem berichtet Zscaler von einer Zunahme der Verbreitung von Malware in Unternehmensnetzwerken um 700 % zwischen 2019 und 2020. Dazu gibt das Unternehmen zu bedenken, dass sich viele der betroffenen Geräte in Büros und Fabriken ohne ordnungsgemäße Wartung oder Überwachung befinden, weil ein Großteil der Mitarbeiter aus der Ferne arbeitet. Laut Zscaler seien Unterhaltungs- und Automatisierungsgeräte am meisten gefährdet – Grund hierfür seien die große Vielfalt an Herstellern, unzureichend verschlüsselte Kommunikationsvorgänge sowie der Vielfalt an Verbindungen zu verdächtigen Zielen.

Ein Vergleich zwischen der Nutzung des IoT in Unternehmen und seiner Anwendung in der Industrie zeigt ähnliche Vorteile und Risiken auf. Obwohl Geräte, die für die Heim- und Unternehmensautomatisierung entwickelt wurden, Schwachstellen oder Lücken in ihren Verschlüsselungsprotokollen aufweisen, waren industrielle Geräte in der Vergangenheit robuster. Verantwortlich dafür ist die zum Teil wenig einladende Umgebung, in der sie installiert und verwendet werden. Laut Deloitte sollte das Industrie-4.0-Ökosystem die Sicherheit bereits in einem frühen Stadium der Projekte berücksichtigen: So seien Unternehmen besser auf die zunehmenden Risiken vorbereitet, die das 5G Netz für Hacker attraktiv macht.

Die riskanten Aspekte dieser neuen 5G-Technologie sind den nationalen Sicherheitsausschüssen vieler Länder nicht verborgen geblieben. Die US-Behörde CISA hat beispielsweise in einem Artikel drei Hauptbedrohungsvektoren identifiziert, die bei 5G-Implementierungen berücksichtigt werden müssen: Politik und Standards, die Wertschöpfungskette sowie die Systemarchitektur. Innerhalb dieser Bereiche wurden elf Unterbedrohungen aufgelistet, die ausnutzbare Schwachstellen darstellen. Dazu gehören beispielsweise die Verwendung offener Normen, optionale Kontrollen, gefälschte Hardware, Komponenten von Drittanbietern ohne entsprechende Sicherheitsstufen sowie Edge-Geräte mit mehreren Zugangspunkten.

Sicherheitsbedenken sollten jedoch weder die Nutzung und das Wachstum des industriellen IoT einschränken, noch die Einführung von 5G-Netzen behindern. Die Integration digitaler, analoger, physischer und menschlicher Komponenten in Produktionssysteme wird in den kommenden Jahren voraussichtlich einen noch nie dagewesenen Wert schaffen und Effizienzgewinne ermöglichen. Studien zeigen, dass die Kopplung von künstlicher Intelligenz mit maschinellen Lernsystemen die größten Investitionen der Industrie für Anlagenüberwachung, vorausschauende Wartung, Optimierung von Produktionslinien, betriebliche Intelligenz und sicherere Arbeitsumgebungen konzentrieren dürfte.

Trotz der erheblichen negativen Auswirkungen, die die Pandemie auf die Verbraucher und die Industrie insgesamt hatte, wird eine Vergrößerung des IIoT-Markts erwartet – mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 6,7 %. Dabei soll der Markt bis 2026 einen Wert von 106,1 Milliarden US-Dollar erreichen. Dazu tragen nicht nur die technologischen Fortschritte der 5G-Netze bei, sondern auch Entwicklungen in diversen anderen Bereichen – wie z. B. dem Halbleitermarkt, der Standardisierung von Kommunikationssystemen und Strukturoptimierungen an Rechenzentren.