Intelligent Connectivity Wie 5G, Künstliche Intelligenz und IoT die Welt verändern

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„Intelligent Connectivity” ist ein Konzept, das die Kombination von 5G, dem Internet der Dinge (IoT), und Künstlicher Intelligenz (KI) als Mittel zur Beschleunigung der technologischen Entwicklung und zur Umsetzung neuer disruptiver digitaler Dienste nutzt. In Summe ermöglichen diese Technologien in nahezu jeder Branche und jedem Lebensraum neue Möglichkeiten.

5G-Netze erfüllen die Anforderungen einer hochmobilen und vollständig vernetzten Gesellschaft. Hier ist ein Vergleich zwischen 4G und 5G notwendig, um den Unterschied zu verdeutlichen:

• Geringe Latenz für Echtzeitverbindungen

• Erweiterte Kanalbandbreite mit neuen Frequenzen für Mobilfunk – von 2,5 Gigahertz (GHz) für 4G LTE Pro und 3,5 GHz für 5G

• Besonders effizient für das Streaming von Daten, wodurch eine massive Mehrfacheingabe / -ausgabe möglich wird

• Drahtloser Datendurchsatz von bis zu 20 Gigabit pro Sekunde (Gbps)

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Architekturelle Aspekte

Auf der Basis von hohen Anforderungen an Geschwindigkeit, Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit unterscheidet sich das Anwendungsdesign für 5G-Netzwerkte grundsätzlich vom traditionellen Design für Internetanwendungen.

Network Slicing

Die 5G-Mobilfunknetzspezifikation führt die „Network Functions Virtualization“ (NFV) ein, mit der Mobilfunknetzbetreiber Netzwerkressourcen für Geschäftsanwendungen als PaaS-Lösungsbausteine (SBB) bereitstellen können, die als Network Slicing bezeichnet werden. Im Wesentlichen ist Network Slicing die Bündelung einer Teilmenge der in einem 5G-Netzwerk vorhandenen Hardware-, Software- und Servicekomponenten in neue virtuelle Netzwerke, ähnlich wie Cloud Computing Dienste die CPUs und Speicher in Containern bündeln.

Network Slices bieten die Sicherheit und Isolation eines virtualisierten Netzwerks und sind gleichzeitig so einfach bereitzustellen und zu verwalten wie eine IaaS-Lösung. Die Abbildung 3 der 5GPPP Working Group zeigt beispielhaft, wie zwei Network Sclices im Kontext der Autoindustrie aufgebaut sein können.

Datenzentriertes Middleware-Design

Es gibt viele Standards und Produkte für Kommunikations-Middleware. Der Data Distribution Service (DDS) ist ein Middleware-Protokoll und API-Standard für datenzentrierte Konnektivität der Object Management Group (OMG), welche sich ideal für das Internet der Dinge eignet. Das Wesentliche bei der Datenzentrierung ist, dass DDS weiß, welche Daten gespeichert werden und steuert, wie diese Daten von den abhängigen Objekten gemeinsam genutzt werden.

DDS erkennt konzeptionell einen Datenspeicher, der als „globaler Datenraum" bezeichnet wird. Für die Anwendung sieht der globale Datenraum wie nativer Speicher aus, auf den über eine API zugegriffen wird. In Wirklichkeit sendet DDS Nachrichten, um die entsprechenden Speicher auf Remote-Knoten zu aktualisieren.

DDS integriert die Komponenten eines Systems und bietet eine Datenkonnektivität mit geringer Latenz, extreme Zuverlässigkeit und eine skalierbare Architektur, wie sie für geschäftskritische Internet-of-Things-Anwendungen erforderlich ist.

Unbegrenzte Rechen- und Speicherkapazitäten in der Cloud

Im Normalfall benötigen intelligente Anwendungen leistungsstarke und kostengünstige Rechen- und Speicherkapazität. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, basiert das Intelligent-Connectivity-Design auf der Verwendung von IoT-Geräten mit einem minimalen Satz von Steuerelementen, Sensoren und Aktoren. Der große Anteil der Systemintelligenz wird in der Cloud platziert, wo die Rechen- und Speicherkapazität praktisch unbegrenzt ist. Anwendungsfälle für die Remotesteuerung von IoT-Geräten müssen auf einige wenige Cloud-Rechenzentren verteilt werden, die jeweils einer bestimmten Aufgabe zugeordnet sind.

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Edge Computing

Die IoT-Geräte sind intelligent in dem Sinne, als dass sie eingebettete Überwachungs- und Erfassungsfunktionen haben und gleichzeitig Sensordaten von anderen Quellen abrufen können, die für den Zweck des Geräts zusammengeführt werden. IoT-Geräte besitzen üblicherweise einen zweiten „intelligenten“ Teil und zwar die verteilte „Intelligenz“, die sich außerhalb des Gerätes befindet. Dieser zweite Teil kann die Daten von einem IoT-Gerät überwachen, Ereignisse analysieren und hat Zugriff auf (analysierte) Daten. Dieser zweite Teil der Intelligenz- und Rechenkapazität wird in der IoT-Welt in Edge-Server ausgelagert, von denen jeder einem bestimmten Zweck dient.

Weltweiter Durchbruch auf dem 5G-Markt

GSMA (GSM Association) ist ein weltweiter Industrieverband der Mobilfunkanbieter und vereinigt heute mehr als 800 Mobilfunkanbieter. Die GSMA schätzt, dass im Jahr 2025, 25 Milliarden Geräte ans große 5G-Netz angeschlossen sein werden. Diese Hyperkonnektivität wird durch 5G-mobiles Breitband ermöglicht, wodurch die Anzahl der verbundenen Geräte, die miteinander kommunizieren, praktisch unbegrenzt ist. Dies wird die wichtigste Voraussetzung für intelligente Konnektivität in den nächsten Jahren sein.

5G stellt das fehlende Element dar, um diverse Technologien auf ein neues Niveau zu heben und die Vision der intelligenten Konnektivität in vielen Branchen zu ermöglichen. Die Verbreitung vernetzter Objekte und Geräte wird den Weg für eine breite Palette neuer Dienste und zugehöriger Geschäftsmodelle ebnen, von denen hier ein paar Beispiele kurz beschrieben werden.

Smart Cities

Durch den neuen Wandel werden aus digitalen Städten Smart Cities, die technologisch mehr den Konzepten von intelligenten Städten entsprechen. Eine Stadt wird „intelligent“, wenn sie instrumentiert, vernetzt, anpassungsfähig, autonom und lernfähig ist.

Durch vernetzte Sensoren, Aktoren und die Verbreitung digitaler Identitätstechnologien wird die Online-Sicherheit weiter verbessert und die Auswirkungen der Internetkriminalität verringert. Weitere Anwendungen werden Smart Parking, autonomes Fahren, intelligente Beleuchtung und diverse andere Applikationen sein.

Ein Beispiel für laufende Aktivitäten der europäischen Union ist das 5GCity-Projekt. Das Ziel vom Projekt 5GCity ist die Entwicklung und der Bereitstellung einer aufteilbaren, verteilten Cloud / Edge- und 5G-fähigen Funkplattform mit neutraler Hosting-Fähigkeit für Key Media Use Cases (UCs) im Zusammenhang mit mobiler Videoerfassung und Produktion. Die entwickelten Plattform- und Medien-UCs werden in drei Städten (Bristol, Lucca und Barcelona) durch echte stadtweite Piloten validiert (siehe Abbildung 6).

Industrielle Produktion

Intelligente Konnektivität wird die Einführung der vierten industrielle Revolution (Industrie 4.0) weiter beschleunigen, bei der Computer und Roboter die Produktion und Wartung in hochflexiblen Fabriken und Anlagen kontinuierlich optimieren. In der Fertigung können mobile Roboter vorteilhaft eingesetzt werden, um Güter zwischen verschiedenen Stationen eines Prozesses oder zu und von Depots zu transportieren. Der Einsatz mobiler Roboter in der Logistik verbessert die Produktivität und unterstützt die Implementierung einer effektiven schlanken Fertigung.

Connected Healthcare

Dank der Flexibilität mobiler Netzwerke können KI-unterstützte Healthcare-Plattformen eine Reihe fortschrittlicher Health-Dienste ermöglichen: von der proaktiven Überwachung des Wohlbefindens bis hin zu einer qualitativ besseren ambulanten Versorgung älterer Menschen, häufig durch Fernbehandlung. Tragbare Geräte und Smart-Home-Armaturen überwachen wichtige biometrische Daten, die dann sicher auf entfernte Plattformen übertragen werden. Dort werden Leistungsdaten in Echtzeit mit persönlichen medizinischen Profilen analysiert, um den aktuellen und zukünftigen Gesundheitszustand zu bestimmen.

Connected Transportation und Logistik

Connected Transportation bietet Fahrern umfassende Unterstützung und unterhält die Fahrgäste. Autonome und unbemannte Fahrzeuge bieten der Industrie deutliche Verbesserungen in den Bereichen Logistik, Auslieferung und Landwirtschaft sowie im Personenverkehr. On-Board-Sensoren stellen sicher, dass das Fahrzeug reagiert und intelligent genug ist, um sicher zu fahren. Dabei werden Daten aus mehreren Quellen verwendet, um auf Änderungen des Klimas und des Verkehrs bei Bedarf zu reagieren. Große Technologiefirmen haben bereits demonstriert, wie die Anwendung von 5G zur Schaffung der intelligenten Logistik mit Drohnen und Live-Streaming realisiert werden kann.

Gaming

Schneller und mobiler Zugriff auf leistungsstarke, Cloud-basierte Spieleserver mit geringer Latenz ermöglicht es den Videospielern, die neuesten VR-Spiele an jedem Ort zu genießen, ohne die Kosten für die teuren lokal verfügbaren Spiele, Computerhardware oder Konsolen tragen zu müssen. KI-unterstützte Spieleplattformen passen Spiele zudem an und verbessern das Spielerlebnis.

Zusammenfassung und Ausblick

Das sind nur ein paar Beispiele von unzähligen Anwendungen, die durch Intelligent Connectivity ermöglicht werden. Täglich entstehen parallel mit dem Fortschreiten der technologischen Reife neue Ideen, die das Leben in vieler Hinsicht vereinfachen werden. Doch durch die Entwicklung neuer Technologien entstehen auch neue Herausforderungen, die es zu lösen gilt. Die enorm verteilte Natur der Intelligent Connectivity birgt auch die Gefahr, Ziel von Angriffen zu werden. Deshalb werden die regulatorischen Hürden für die Einführung von neuen Anwendungen bezüglich Datenschutz und Sicherheit stets verschärft.

Über den Autor

Dr. Mehrdad Jalali-Sohi verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in IT-Bereich und Forschung. Er ist bei der Adesso AG beschäftigt, wo er als Management Berater, Architekt sowie Team- und Projektleiter oft an der Schnittstelle zwischen Business und Technologie sitzt. Er ist Autor zahlreicher Artikel zu IT-Security und intelligente Assistenzsystemen. Sein technologischer Schwerpunkt sind moderne Architekturen, IT-Security, J2EE, SOA, Portaltechnologie, API-Management, Cloud Computing, Mobile Computing sowie Zahlungssysteme und Blockchain.

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