Betrachtung der Chancen und Risiken des Einsatzes von 5G Technologie als Basis der IoT Architektur

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Gang der Untersuchung
1.3 Zielsetzung

2 Grundlagen der 5G Technologie
2.1 Historische Entwicklung des Mobil funks
2.2 Evolution der 4G zur 5G Technologie
2.3 Haupttreiber der 5G Technologie

3 Grundlagen des Internet of Things
3.1 Historische Entwicklung
3.2 Grundkonzept des I0T & Ubiquitous Computing

4 5G als Technologie für die Internet of Things Architektur
4.1 5G Konzept als notwendige Basis für das zukünftige I0T
4.2 Chancen und Risiken des Einsatzes der I0T Architektur mit 5G

5 Fazit
5.1 Zusammenfassung der Ergebnisse
5.2 Kritische Würdigung und Ausblick

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Die Schlüsselaspekte bei der Entwicklung des 5G

Abb. 2: Das I0T Konzept in seiner grundlegenden Form

Abb. 3:10T Einsatzmöglichkeiten mit 5G Technologie

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

1.1 Problemstellung

״When wireless is perfectly applied, the whole earth will be converted into a huge brain, which in fact it is, all things being particles of a real and rhytmic whole.“¹ Mit diesem Satz konstatierte Nikola Tesla (1856 - 1943) in den Zwanzigerjahren des vergangenen Jahrhunderts einen aus heutiger Sicht bemerkenswerten technologischen Weitblick. Heute, zweiundneunzig Jahre später, hat Teslas Zitat nicht an Aktualität verloren. Indes hat die Menschheit bereits zahlreiche technologische Entwicklungen miterleben dürfen, jedoch steht sie zurzeit an der Schwelle einer Entwicklung, die das Potential hat, unser Leben vollumfanglich zu verändern. Das Internet of Things (I0T) wird Auswirkungen auf annähernd alle Bereiche des Lebens haben und viele Milliarden uns umgebende Gegenstände miteinander vernetzen. So schätzt das statistische Bundesamt die Gesamtzahl der vernetzten Dinge weltweit bis zum Jahr 2020 auf über 20 Milliarden, davon allein rund 13 Milliarden im Consumer-Bereich.² Eine solches Maß an vernetzten Geräten stellt inmiense Anforderungen an die zugrunde liegende IT-Infrastruktur. Es gilt eine Architektur zu entwickeln, die nicht nur dazu in der Lage sein muss die schiere Anzahl an Netzwerkteilnehmem zu verarbeiten, sondern ferner die Neuerungen und Besonderheiten des I0T vollumfanglich zu unterstützen. Eine solche Architektur wird momentan mit dem Mobilfunknetz der fünften Generation (5G) entwickelt und bis 2020 zum Einsatz konmien. Doch ist diese Technologie den Ansprüchen des entstehenden größten Netzwerkes der Menschheitsgeschichte gewachsen? Diese Arbeit soll die Chancen und möglichen Risiken, die mit dem Einsatz der 5G Technologie für das I0T einhergehen, untersuchen.

1.2 Gang der Untersuchung

Die vorliegende Seminararbeit ist wie folgt aufgebaut: Der Hauptteil der Arbeit ist in drei Bereiche aufgegliedert. Der erste Teil (Kapitel zwei) beschäftigt sich zunächst mit den Grundlagen der 5G Technologie. Nach der Darstellung der historischen Entwicklung des Mobil funks wird die Evolution von der 4G zur 5G Technologie beleuchtet, bevor alsdann die Haupttreiber der 5G Technologie untersucht werden. Im zweiten Teil der Arbeit (Kapitel 3) werden anhand der historischen Entwicklung des Internets und einer Darstellung des Grundkonzeptes des I0T, sowie des Ubiquitous Computing, die Grundlagen des Internet of Things untersucht. Der dritte Teil der Seminararbeit verknüpft die untersuchten Grundlagen der 5G Technologie, sowie des I0T, um die Chancen und Risiken einer solchen Technologiearchitektur zu ergründen. Im letzten Teil der Arbeit wird abschließend ein Fazit gezogen, sowie ein kurzer Ausblick auf die zukünftige Entwicklung gegeben.

1.3 Zielsetzung

Ziel dieser Seminararbeit soll es sein, herauszufinden, ob und in wie fern die Verwendung der 5G Mobilfunktechnologie als grundlegende Basis für das I0T bis 2020 genutzt werden kann und welche Chancen und Risiken sich aus einem solchen Einsatz ergeben.

2. Grundlagen der 5G Technologie

2.1. Historische Entwicklung des Mobilfunks

Die erste Generation des Mobil funks (IG) wurde bereits vor vierzig Jahren von Nippon Telephone and Telegraph Company in Tokyo, Japan vorgestellt.³ Die daraufhin global eingeführten Mobilfunktechnologien waren rein auf die Übermittlung von Sprache konzipiert. Ein wesentlicher Nachteil dieses Standards stellte die mangelnde inter­nationale Kompatibilität dar. Die in den 80er Jahren etablierten A-, B-, und C-Netze werden heute zusammenfassend als Mobil funk der ersten Generation (IG) deklariert.⁴

Seither wurde in jeder Dekade eine neue Mobilfunktechnologie vorgestellt, die eine Weiterentwicklung der zuvor genutzten Standards darstellte und dem Nutzer neue Funktionen und Eigenschaften bot. Mit der Einführung der zweiten Generation des Mobil funks (2G), die auf dem Global System for Mobile Communications (GSM) basierte, erfolgte der Umstieg auf eine Übertragungstechnologie, die eine digitale Sprach- sowie zum erstmals auch Datenübermittlung ermöglichte. Das D-Netz, das auf dem GSM Standard beruhte, galt als zuverlässig, bot eine fast deutschlandweite Abdeckung und machte das Mobiltelefon, auch dank neu entstandener Funktionen wie SMS, massentauglich. Bereits eineinhalb Jahre nach der Einführung des GSM Standards wurden in Deutschland eineinhalb Millionen Mobi 1 hinkkiin den verzeichnet. Noch im Rahmen der 2G Architektur evolvierten verschiedene Standards wie GPRS und EDGE, die eine Datenübertragung von höherer Bandbreite ermöglichten und die Entwicklung zum 3G Netz einleiteten.⁵

Nicht zuletzt durch die Einführung der ersten Smartphones, spätestens allerdings nach der Vorstellung des Apple iPhones im Jahre 2007, veränderte sich das Nutzungsverhalten der Mobil funknutzer zu bandbreitenintensiveren Funktionen. Entsprechend wurde bei neueren Generationen wie 3G und 4G zunehmend Wert auf die paketorientierte Datenübertragung mit höheren Bandbreiten gelegt. So wurde mit Einführung der 3G Architektur mit UMTS 2005 in Deutschland zunächst eine Bandbreite von 384 Kbit/s für mobile User bereitgesteht,⁶ die sowohl eine intemetbasierte mobile Übertragung von Video- und Audiodaten, als auch eine verbesserte gleichzeitige Nutzung vieler Nutzer, im Gegensatz zu leitungsorientierter Nutzung, ermöglichte.⁷ Stetige Weiterent­Wicklungen und die Einführung eines neues Standards HSPA steigerten die reale Datenrate in der Praxis um ein Vielfaches. 2007 waren maximale reale Datenraten von 14,4 Mbit/s und 2009 mit HSPA+ 28,8 Mbit/s möglich.⁸

Die 4G LTE Technologie wurde von Beginn an rein paketorientiert konzipiert, im Gegensatz zu HSPA Standard, der eine Erweiterung einer bestehenden Technologie darstellt, der sowohl leitungs- als auch paketorientiert entwickelt wurde. Erneut wurde der Fokus auf mobile Breitbanddienste gelegt: Niedrigere Latenz, höhere Daten­übertragungsraten, sowie höhere Netzkapazitäten waren von zentraler Bedeutung. Eine weitere wesentliche Neuerung des 4G LTE war die erneute weltweite Standardisierung, wie bei GSM. LTE gilt heute als die aktuelle Netzarchitektur in Deutschland und wird weltweit genutzt.⁹ Theoretische Datenraten von bis zu 1 Gbit/s sind bereits heute möglich, wobei sich 200 Mbit/s in deutschen Netzen erreichen lassen.¹⁰

2.2. Evolution der 4G zur 5G Technologie

Bei der Betrachtung der Anforderungen an zukünftige Mobilfunknetze sind im besonderen zwei Entwicklungen auf Grund ihrer Signifikanz hervorzuheben: Dies ist zum einen die Entwicklung der Anzahl der Teilnehmer im Mohi ltunk und zum anderen die weltweit übertragene Datenmenge. Seit dem Jahr 2000 lässt sich weltweit eine exponentielle Entwicklung in der Anzahl der Mohi 1 fiinktei 1 n ehm er feststellen. Dies führte 2013 zum ,Breakeven’ der Zahl der Teilnehmer im Mobil funk mit der Gesamtbevölkerung der Erde. Dieser Aufwärtstrend soll sich auch zukünftig fortsetzen und führt 2019 zu prognostizierten 9,3 Mrd. Mohi 1 fiinktei 1 n ehm em ■¹¹ Nach Schätzungen von Cisco Systems überschritt die weltweit übertragene Datenmenge 2016 ein Zettabyte¹² und wird sich bis 2019 auf zwei Zettabyte pro Jahr erhöhen. Im gleichen Jahr soll die Datenmenge, die über Mobilfünknetze übertragen wird, die Datenmenge drahtge­bundener Übertragung zum ersten Mal übersteigen.¹³

Verfolgte man bei der zurückliegenden Entwicklung der letzten Jahre in erster Linie eine Erhöhung des Datendurchsatzes, kommen bei der Weiterentwicklung zum 5G erweiternd verschiedene Schlüsselaspekte als zentrale Neuentwicklungen und Verbesserungen zum 4G dazu. Diese Schlüsselaspekte müssen nicht zwangsläufig gleichzeitig erfüllt werden, sondem können je nach Bedarf und angebundenem Gerät angepasst werden. Auf Gmnd der umfangsbezogenen Beschränkungen wird sich diese Arbeit mit den wesentlichen Elementen befassen.

Abbildung 1 zeigt alle Schlüsselpunkte die bei der Entwicklung des 5G in den Bereichen I0T, missionskritische Systeme und der Kontinuität der Anwendererfahrung im Vordergmnd stehen. Besonders hervorzuheben sind bei der Entwicklung des 5G ab dem Jahre 2020 die Netzkapazität, die um den Faktor 10³ steigen soll, sowie die Datenübertragungsrate und die Energieeffizienz, die sich um den Faktor 10 erhöhen werden. Für besonders kritische Systeme soll zudem eine sehr niedrige Latenz im Bereich von unter 1ms, sowie eine Verfügbarkeit von 99,999% realisiert werden.¹⁴

Abb. 1: Die Schlüsselaspekte bei der Entwicklung des 5G:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Bogucka, A., Kliks, A., Kryszkiewicz, p., Advanced multicarrier technologies, 2017, s. 4.

2.3. Haupttreiber der 5G Technologie

Entgegen der Entwicklung früherer Generationen des Mobilfunks, die stetig auf einen bestimmten Bedarf hin entwickelt wurden, wird 5G von Beginn an mit einer hohen Diversität für verschiedenste Einsatzbereiche und Dienste konzipiert. Das Portfolio der 5G Technologie wird eine enge Verknüpfung verschiedener Mobilfunktechnologien wie enhanced LTE, WiFi und anderen, neu entwickelten 5G Funkstandards bilden, die auf verschiedene Zellgrößen, Frequenzbänder und spezifische Anforderungen angepasst werden. Die 5G Technologie soll nicht nur Mobiltelefone, Smartphones und Tablets anbinden, sondem eine schnurlose Verbindung zu diversen Dingen und Diensten, heutigen sowie zukünftigen, ermöglichen.¹⁵

Die mit 5G eingeführten enhanced mobile broadband services werden es dem Nutzer ermöglichen, nie dagewesene Bandbreiten zu erreichen und dies praktisch jederzeit und überall. 5G wird durch die Ermöglichung neuer Technologien wie augmented reality und free viewpoint video eine neue Nutzererfahrung im Bereich der Vernetzung von Menschen ermöglichen. Zum anderen bietet 5G das Potential, die Industrie zu revolutionieren: Die Konzepte der ultra-reliable low-latency communications sowie massive machine-type communications bieten der Industrie entlang der gesamten Supply- Chain revolutionäre Anwendungsszenarien. Mit dem Einsatz von 5G bietet sich ein enormes Potential um eine vernetzte Gesellschaft und Industrie zu erschaffen.¹⁶ Spezifischere Anwendungsszenarien werden in Kapitel vier aufgegriffen.

3. Grundlagen des Internet of Things

3.1. Historische Entwicklung

Spricht man allgemein vom Begriff des Internets, ist für viele Menschen das World Wide Web gemeint. Seit seiner Einführung im Jahre 1990 nutzten die Menschen das Internet um sich zu infomiieren, sich zu präsentieren, sich auszutauschen und sozial zu interagieren.¹⁷ Lange Zeit galt das Internet hierbei als Netzwerk von Computern, durch einen Desktop-PC mit dem Nutzer agierend. Bereits heute hat sich diese Architektur deutlich gewandelt, das Internet der Dinge ist keine Zukunftsvision mehr, sondern längst zur Realität geworden. Der Begriff des Internet of Things (I0T) wird dem Amerikaner Kevin Ashton zugeschrieben, der ihn 1999 bei einer Präsentation zum Thema Supply- Chain Management verwendete. Ashton arbeitete zu dieser Zeit bereits am Einsatz von RFID in automatisierten Produktionsanlagen und deutete an, dass ein Um denken beim Begriff der ,Dinge’ stattfindet müsse. Kann man davon ausgehen, dass jedes Gerät, das mit dem Internet verbunden werden kann streng genonmien ein Ding ist, geht es bei I0T um smarte Geräte, Sensoren, Menschen und Dinge, die sich in irgendeiner Art ihrer Umwelt bewusst sind und sowohl untereinander als auch direkt mit dem Internet kommunizieren können.¹⁸ Wie omnipräsent dieses Szenario bereits heute ist und wie sehr physikalisches und virtuelles Web ineinander überfließen kann man selbst als Verbraucher im Alltag feststellen. Durch die Einbindung des Smartphones ist der Mensch in der Lage, Einfluss auf verschiedene Bereiche seiner Umwelt zu nehmen, ebenso zahlreiche Daten aus Sensoren dieser wahrzunehmen. Beim Sport zählt das Fitnessarmband gelaufene Schritte und erklommene Stockwerke, die Smartwatch misst gleichzeitig den Puls. Die Geräte sind mit dem Smartphone, dem Internet und den Cloud- Servern verbunden. Der Nutzer stellt während seiner Auslaufrunde bereits die Klimaanlage seines Fahrzeugs ein um in ein gekühltes Fahrzeug einsteigen zu können,¹⁹ bevor das Smartphone mittels GPS und Geofencing die Heizung im Haus einschaltet bevor er die Haustür erreicht.²⁰ Dies ist nur ein kleiner Auszug aus bereits heute nutz- und im Alltag erlebbarer I0T Technologie. Die bereits anlaufende nächste Entwicklung nach der Personal Computing Ära beschreibt das Ubiquitous Computing, also das allgegenwärtige Vorhandensein von digitaler Rechenkapazität. Dieses Konzept wird im folgenden Gliederungspunkt näher beleuchtet.

3.2. Grundkonzept des I0T & Ubiquitous Computing

Betrachtet man das Konzept des I0T, ist es hilfreich, die Grundkomponenten, aus denen es gebildet wird, zu verstehen. Diese Grundbausteine lassen sich zusanmienfassend als Sensorik, die Fähigkeit der eindeutigen Femidentifizierung und -Steuerung, einem Kommunikationsnetzwerk, sowie der kontextbewussten Verarbeitung durch Software darstellen. Obschon uns diese Komponenten bereits seit Jahren begleiten, besteht die Innovation, die I0T mit sich bringt, in der Art und Weise wie diese Komponenten Zusammenarbeiten. I0T verbindet das Internet des Menschen, das durch von Menschen bedienten Applikationen und Diensten geprägt ist, mit dem Internet der Dinge. Es ist ein Konzept einer kollaborierenden Umwelt mit allgegenwärtiger Verbindung durch das Internet um Daten auszutauschen.²¹

Der Grundgedanke des I0T ist es, Dinge durch den Einbau von Computern und Netzwerkkomponenten mit dem Internet zu verbinden, um ihnen die Fähigkeit zu geben Daten zu sammeln und auszuwerten. Diese nunmehr intelligenten Dinge sind dann in der

[...]

¹ Tesla, N.. Interview, 1926, in: Kennedy, J. B. (1926), o. s., zitiert nach tcfbooks.com.

² Statistisches Bundesamt, Prognose zur Anzahl der Geräte im I0T, 2017, O.S., zitiert nach de.statista.com.

³ Vgl. Prasad, R., 5G 2020 and Beyond, 2014, s. 1.

⁴ Vgl. Nuszkowski, H., Digitale Signalübertragung, 2010, s. 2.

⁵ Vgl. Schneider, s., Mobile Marketing, 2015, s. 19 ff.

⁶ Vgl. Laudon, K., Laudon, L, Wirtschaftsinformatik, 2010, s. 354.

⁷ Vgl. Walke, B., Mobilfimknetze, 2001, s. 489.

⁸ Vgl. Scherff, L, Computemetzwerke, 2010, s. 373.

⁹ Vgl. Dahlman, E., Parkvall, s., Skold, L, Road to 5G, 2016, s. 3.

¹⁰ Vgl. Vodafone AG, o. V., Internet mit LTE, 2018, O.S., zitiert nach vodafone.de.

¹¹ “ Vgl. Das, s., Mobile Terminal Receiver Design, 2017, s. 6.

¹² Ein Zettabyte entspricht einer Mrd. Terrabyte (T012 Byte), also 1021 Byte.

¹³ Vgl. Bogucka, A., Kliks, A., Kryszkiewicz, p., Advanced multicarrier technologies, 2017, s. 2.

¹⁴ Vgl. Bogucka, A., Kliks, A., Kryszkiewicz, p., Advanced multicarrier technologies, 2017, s. 2 ff.

¹⁵ Vgl. Hu, F., Opportunities in 5G, 2016, s. 5 ff.

¹⁶ Vgl. Marsch, p. et al., 5G system design, 2018, s. 2 ff.

¹⁷ Vgl. Meinel, c., Sack, H., WWW, 2004, s. 33 f.

¹⁸ Vgl. Buyya, R., Dastjerdi, A., Internet of Things, 2016, s. 3 ff.

¹⁹ Remote Services von BMW Connected erlauben es dem Nutzer mittels eines Smartphones verschiedene Funktionen seines Fahrzeuges aus der Feme zu bedienen. Dazu gehört das Einschalten der Klimaanlage, die Anzeige des Standortes des Fahrzeuges über eine Karte oder die Aktivierung der Hupe bzw. Lichthupe. Weitere Informationen vgl. BMW AG, O.V., Connected Drive, 2018, O.S., zitiert nach bmw.de.

²⁰ Vgl. Andelfinger, V., Hänisch, T., Internet der Dinge, 2015, s. 13 ff.

²¹ Vgl. Buyya, R., Dastjerdi, A., Internet of Things, 2016, s. 7 ff.