1. Einleitung

Aus diesem Grund möchten wir in Zusammenarbeit mit unserem Partner Teltonika Networks, einem in Litauen ansässigen Anbieter für IoT-Hardware, in diesem Artikel den Stellenwert von 5G in Städten beleuchten.

Nach einigen Grundlagen widmen wir uns primär ihren praktischen Anwendungsfällen in der digitalen Stadt sowie den verschiedenen Akteuren, die die 5G-Landschaft rundum digitale Städte gestalten. Unser Ziel ist es, einen Diskussionsaufschlag über die 5G-Technologie als einen Eckpfeiler der digitalen Stadtinfrastruktur zu schaffen.

Über die Autoren

Dimitri Ravin

Gründer und
Head of Content / Partnerships bei Urban Digital  

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Chris Schulze  

Account Manager Deutschland, Industrial Routers/Gateways bei Teltonika Networks

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2. Grundlagen

5G in Kürze

5G ist die neueste Generation mobiler Netzwerke und bietet erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Geschwindigkeit, Kapazität und Latenz im Vergleich zu früheren Netzwerktechnologien wie 4G. Dies hat dazu geführt, dass sowohl öffentliche Mobilfunkanbieter als auch private Unternehmen an der breiten Nutzung dieser Technologie interessiert sind (s.u.). Die 5G-Technologie kennzeichnet sich insbesondere durch folgende Merkmale:

• Unterstützung einer Vielzahl von Endgeräten: Mit 5G können neben Smartphones zahlreiche andere Endgeräte wie IoT-Geräte, autonome Fahrzeuge und industrielle Maschinen effizient angebunden werden sowie untereinander kommunizieren (Device-to-Device Communication), was eine breite Palette von Anwendungen ermöglicht.
• Flexible Netzinfrastruktur: Durch die softwarebasierte Architektur des Kernnetzes und das Konzept des Netzwerkslicing können 5G-Netze flexibel für unterschiedlichste Einsatzszenarien konfiguriert und angepasst werden, was eine präzise Abstimmung auf spezifische Anforderungen ermöglicht.
• Hohe Datensicherheit und Zuverlässigkeit: Die Möglichkeit, private 5G-Campusnetze mit dedizierten Kernnetzen zu errichten, bietet Unternehmen verbesserte Datensicherheit und Datensouveränität sowie zuverlässige Echtzeitkommunikation.
• Gezielte Datenübertragung: Gezielte Datenübertragung: 5G ermöglicht durch Beamforming eine zielgerichtete und effiziente Datenübertragung, die die Netzwerkkapazität erhöht. Dies ist ein erheblicher Fortschritt gegenüber 4G und früheren Generationen.
• Risiken der technologischen Abhängigkeit: Die Abhängigkeit von einer komplexen Hardware- und Software-Lieferkette kann zu Sicherheits- und Stabilitätsproblemen führen, insbesondere wenn diese stark international verteilt und geopolitisch sensibel ist.
• Kostenfaktor: Der Aufbau und Betrieb von 5G-Netzen erfordert signifikante Investitionen in die Errichtung neuer Basisstationen, die Anschaffung von Hardware (wie Antennen und Router), die Implementierung von softwarebasierten Netzwerkarchitekturen und die regelmäßige Wartung und Upgrades der Netzwerkinfrastruktur.

Unterschied zwischen privaten und öffentlichen 5G-Netzen

5G-Technologie wird sowohl durch öffentliche Mobilfunkanbieter als auch in Form von privaten Campusnetzen umgesetzt, wobei sich jede der beiden Typen durch spezifische Merkmale und Anwendungsfelder charakterisiert.

Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Netzwerktypen liegt in der Art der Nutzung und Kontrolle. Öffentliche 5G-Netze bieten allgemeinen Zugang und werden von Telekommunikationsanbietern kontrolliert, während Campusnetze speziell für die Bedürfnisse einer Organisation entwickelt werden und spezialisierte Lösungen für bestimmte Anwendungen bieten.

5G als Kommunikationstechnologie der digitalen Stadt

In den vergangenen Jahrzehnten haben Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) schrittweise ihre Wirkung auf Wirtschaft und Gesellschaft entfaltet und dadurch Prozesse und Abläufe im urbanen Umfeld grundlegend transformiert. Entscheidend sind dafür der Ausbau von kabelgebundenen und drahtlosen Netzwerken sowie die omnipräsente Verbreitung von stationären und mobilen Endgeräten. Dadurch werden die in Städten ohnehin vielfach existierende Ressourcen wie Infrastruktur, Informationen, Dienstleistungen und Humankapital deutlich zugänglicher und vernetzter.

Online-Bewertungen bestimmen über besuchens- und sehenswerte Orte in der Stadt, Fahrplanauskünfte erfolgen zunehmend online und spontane Buchungen von Angeboten der Mikromobilität, wie Fahrräder und E-Scooter wurden durch IKT erst möglich. Erste Städte nutzen bereits Sensornetzwerke für eine dynamische Steuerung ihrer Verkehrsleitsysteme, um den Verkehrsfluss in Echtzeit an aktuelle Ereignisse anzupassen. Auch der Ausbau erneuerbarer Energien erfordert zur Sicherstellung der Netzdienlichkeit, eine digital gesteuerte und dynamische Abstimmung zwischen den Erzeugern, Verbrauchern und Speichern eines Energienetzes.

Dabei lässt sich beobachten, dass für unterschiedliche Anwendungsfälle jeweils unterschiedliche Kommunikationstechnologien zum Einsatz kommen, um den spezifischen Anforderungen gerecht zu werden. Nachfolgend finden Sie eine beispielhafte Liste:

• LAN-Kabel (Ethernet) – Einrichtungen wie Restaurants, Büros oder Geschäfte in Flughäfen nutzen kabelgebundene Netzwerke für eine stabile und schnelle Internetverbindung für interne Kommunikationssysteme.
• WLAN (Wi-Fi) – ideal für drahtlosen Zugang in begrenzten Bereichen wie Cafés, Bibliotheken und öffentlichen Gebäuden; Vorteile: hohe Geschwindigkeiten und einfache Implementierung
• LTE (4G, Long Term Evolution) – bietet höhere Geschwindigkeiten und geringere Latenzzeiten als frühere Mobilfunkstandards; häufig für mobile Internetzugänge und Anwendungen genutzt, bei denen Flexibilität und Mobilität entscheidend
• LoRaWAN – Für Anwendungen, die geringe Datenvolumen und große Reichweiten erfordern, wie Sensornetzwerke zur Umweltüberwachung oder städtisches Infrastrukturmanagement; typische Anwendungsfälle: Überwachung von Luftqualität oder Wasserständen in städtischen Gebieten
• NB-IoT (Narrowband IoT) – entwickelt für das IoT, daher hohe Eignung für Anwendungen mit hoher Gerätedichte und geringen Datenübertragungsraten, wie intelligente Parksysteme oder die Überwachung von Straßenlaternen

Wie wir bereits gelernt haben, bietet 5G im Vergleich zu diesen Kommunikationstechnologien, bedeutende Vorteile wie extrem hohe Datenübertragungsraten und sehr niedrige Latenzzeiten, was ideal für datenintensive und zeitkritische Anwendungen ist. 5G kann auch eine große Anzahl von Geräten gleichzeitig unterstützen, was in dicht besiedelten Gebieten wie der Stadt ebenfalls von Vorteil ist. Allerdings erfordert der Aufbau und Betrieb von 5G-Netzen hohe Investitionen in Infrastruktur und Technologie sowie spezialisiertes Know-how für die Implementierung.

Diese Merkmale von 5G werfen die Frage auf, für welche Anwendungsfälle die Vorteile von 5G die Nachteile überwiegen und genau diese Frage soll im folgenden Kapitel adressiert werden.

3. Anwendungsfälle für 5G in der digitalen Stadt

Aus den vorhergehenden Betrachtungen wurde deutlich, dass 5G besonders in jenen Anwendungsfällen besonders passend ist, in denen eine geringe Latenzzeit, hohe Sicherheit und die Unterstützung einer Vielzahl von Geräten erforderlich ist.

Rettungsdienste und Notfalleinsätze

Unsere Recherche im städtischen Kontext hat ergeben, dass 5G-Technologie im Bereich des Rettungswesens und Notfalleinsätzen besonders häufig auftritt, denn in diesem Anwendungsbereich schafft sie einen signifikanten Fortschritt in der Effizienz und Wirksamkeit von Rettungsmaßnahmen.  Die 5G-Technologie ermöglicht eine außergewöhnlich schnelle Datenübertragung, die für den Austausch kritischer, zeitabhängiger Informationen zwischen Einsatzkräften und medizinischen Einrichtungen entscheidend ist. Durch die niedrige Latenzzeit und die hohe Zuverlässigkeit von 5G können Notfalldienste in Echtzeit reagieren, was die Reaktionszeiten verkürzt und potenziell Leben rettet.

Darüber hinaus erlaubt die hohe Datenübertragungsrate von 5G den Einsatz fortgeschrittener Technologien wie Drohnen zur schnellen Lagebewertung und KI-gestützte Diagnosewerkzeuge, die während der Fahrt zum Einsatzort genutzt werden können. Diese technologischen Fortschritte verbessern nicht nur die Qualität der Notfalldienste, sondern auch deren Zugänglichkeit und Geschwindigkeit.

So wurde im BMDV-geförderten Projekt SIRENE 5G-Technologie angewendet, um die Einsatzfahrten von Feuerwehr und Rettungsdiensten durch optimiertes Routing und vorausschauende Ansteuerung von Lichtsignalanlagen zu beschleunigen. Hierdurch sollten rote Ampeln effektiv umgangen und die Sicherheit sowie Schnelligkeit von Einsatzfahrten in urbanen Gebieten erhöht werden.

In Ulm wurde ein ähnliches Projekt namens 5G Rettungsbürger:in durchgeführt, um zu testen, wie das 5G-Netz und Künstliche Intelligenz bei Unfällen und Katastrophen Leben retten können. Durch die schnelle Übertragung von Daten konnten Einsatzkräfte schneller informiert und Rettungsmaßnahmen effektiver gestaltet werden. Dabei wurden unter anderem Drohnen für schnellere Ersteinschätzungen an Unfallorten eingesetzt.

Das BMDV-geförderte Projekt Europäische UAV-unterstützte Transport-Lösungen für Medizinische Güter (EULE zielt darauf ab, den sicheren und schnellen Transport medizinischer Güter wie Arzneimittel und Gewebeproben mittels unbemannter Flugsysteme zwischen Großhändlern, Laboren und Krankenhäusern zu realisieren. Es soll die medizinische Versorgung insbesondere in ländlichen Regionen verbessern. Kern des Vorhabens ist die Entwicklung einer 5G-vernetzten Datenmanagement- und Systemarchitektur, die eine nahtlose und sichere Integration der Transporte in die bestehende medizinische Infrastruktur ermöglicht.

Automatisiertes Fahren

Wie bei den voraus gegangenen Anwendungsfällen bereits ersichtlich wurde, tangieren 5G-geleitete Anwendungsfällte rundum Notfalleinsätze auch einen weiteren Anwendungsbereich, in dem sich die Vorteile der 5G-Technologie ihr Potenzial entfalten können, die Mobilität bzw. das automatisierte Fahren im Speziellen.

Automatisierte Bodenroboter für Gefahrensitutationen

Die Feuerwehr Dortmund setzt auf die Integration von 5G-Technologie in Rettungsrobotik, um in Notfällen wirksamer agieren zu können. In einer Kooperation zwischen dem Deutschen Rettungsrobotik-Zentrum und dem Kompetenzzentrum 5G.NRW werden die potenziellen Einsatzgebiete dieser Technologien erforscht, um Feuerwehrleuten zu ermöglichen, u. a. mit Hilfe von Bodenrobotern die Gefahrensituationen aus sicherer Entfernung zu bewältigen.

Ähnliche Roboter kommen auch in Forschungsprojekten wie myLOG-MOL zum Einsatz, das vom BMDV unterstützt wird und eine Laufzeit von 2022 bis 2024 hat. Dieses Forschungsprojekt zielt darauf ab, die Wettbewerbsfähigkeit des Einzelhandels in ländlichen Gebieten zu stärken, indem es ein autonomes Logistiksystem für schnelle und kostengünstige Lieferungen ermöglicht. Gestalt Robotics übernimmt die technische Umsetzung der autonomen Funktionen und gewährleistet eine zuverlässige 5G-Verbindung mit dem Teltonika Networks RUTX50 Router. Der Fokus liegt auf der technischen Machbarkeit und der Entwicklung eines attraktiven Geschäftsmodells.

Attraktivität des stationären Handels mittels Lieferroboter steigern

Die 5G-Technologie spielt eine zentrale Rolle im Projekt myLOG-MOL, indem es eine zuverlässige, schnelle Datenübertragung ermöglicht, die für die autonome Navigation und Echtzeitüberwachung des Lieferroboters unerlässlich ist. Diese Technologie unterstützt das Logistiksystem dabei, schnelle und effiziente Lieferungen zu gewährleisten, was dem stationären Einzelhandel erlaubt, seine geografische Nähe zu den Kunden optimal zu nutzen.

Längst laufen auch Forschungsprojekte, die die Vorteile der 5G-Technologie für den Kfz-Verkehr erproben. Im Rahmen des BMDV-geförderten Projektes 5GKC betreiben die Hochschule Coburg, Fraunhofer IIS, Valeo und das Innovations-Zentrum Region Kronach, ein Testfeld für 5G-Anwendungsfälle rundum das automatisierte Fahren. Die dort getesteten Anwendungsfälle umfassen eine schnelle und zuverlässige Kommunikation zwischen Fahrzeugen und ihrer Umgebung, um in Echtzeit Daten über Verkehrsbedingungen, Gefahren und Ampelsignale austauschen zu könnnen. Auch Anwendungen des Telefahrens werden dabei getestet, was bspw. ein effizienteres Flottenmanagement ermöglichen könnte.

Hardware-Management

Ein weiterer Anwendungsbereich der 5G-Technologie lässt sich mit dem Management von „Hardware“ beschreiben, die in einem (begrenzten) Bereich der Stadt gewartet oder geortet werden muss.

Wartungsbesuche von Paketstationen reduzieren

Bekanntermaßen haben sich in den vergangenen Jahren Paketstationen als wesentlicher Bestandteil des modernen Konsumverhaltens etabliert, weil sie eine zeitliche flexible Abholmöglichkeit für Bestellungen ermöglichen. Für die Betreiber der Paketstationen stellt die regelmäßige Aktualisierung ihrer Firmware und die Fehlerbehebung eine Herausforderung dar, die sowohl kostspielig als auch zeitaufwendig ist.

Um diesen Wartungsaufwand zu vereinfachen kann das Remote Management System (RMS) von Teltonika Networks eingesetzt werden, das eine effiziente Fernwartung und -steuerung ermöglicht. Mit Hilfe des RMS können Geräte mit einfachen Klicks aktualisiert, Passwörter geändert und Probleme diagnostiziert werden, ohne dass ein physischer Einsatz vor Ort nötig ist. RMS stellt somit eine kosteneffektive Alternative zur traditionellen Wartung dar, indem es Support- und Wartungsaufgaben vereinfacht und gleichzeitig die Kapazitäten für eine umfassendere Fehlerbehebung erweitert.

Baustellenmanagement für die Koordination von Betriebsmitteln

Das Bahntechnikunternehmen Rhomberg Sersa Rail Group nutzt die 5G-Technologie für ein effizienteres Baustellenmanagement in dem sie mit ihrem Q-tainer auf Baustellen ein mobiles Datenzentrum bereitstellt, das mit modernster Edge-Computing-Technologie und 5G-Netzabdeckung ausgestattet ist. Diese Infrastruktur unterstützt IoT-Geräte wie Drohnen und ermöglicht so die Überwachung von Maschinen, die automatische Erfassung von Bestandsdaten und die Echtzeit-Übermittlung von Projektfortschritten. Die Herausforderungen der Bauindustrie wie Ineffizienz, schlechte Logistik und Fachkräftemangel erfordern einen digitalen Wandel, der durch den Q-tainer ermöglicht wird. Er bietet eine Plug-and-Play-Konnektivität, die die Zusammenarbeit auf Baustellen erleichtert und die Transparenz und Geschwindigkeit der Projektüberwachung verbessert.

Management von Ladestationen

Circontrol, ein Entwickler von Mobilitäts- und Ladelösungen für Elektrofahrzeuge, stand vor der Herausforderung, seine in 52 Ländern verbreiteten Ladestationen zuverlässig zu vernetzen. Um ein effizientes Management und eine robuste Konnektivität dieser globalen Infrastruktur zu gewährleisten, hat sich das Unternehmen für den LTE-Router RUT241 von Teltonika Networks entschieden. Dieser Router bildet die Verbindung zwischen Ladestationen und der COSMOS-Cloud-Plattform von Circontrol und ist zentral für die Echtzeitüberwachung, Fernsteuerung und das Nutzererlebnis.

Der RUT241 adressiert mehrere Kernanforderungen: Er erleichtert sowohl die nahtlose Datenübertragung als auch die Effizienz betrieblicher Abläufe wie Abonnementmanagement und Zahlungsprozesse. Dabei spielt er auch beim Kundenerlebnis durch schnelle Authentifizierungs- und Abrechnungsprozesse eine Schlüsselrolle. Der Router ermöglicht zudem durch seine vielfältigen Schnittstellen, darunter Wi-Fi, eine flexible und umfassende Fernwartung der Ladeinfrastruktur, was die Skalierbarkeit von Circontrol’s Lösungen unterstützt und ihre Effizienz steigert. Durch diese innovative Verknüpfung von Technologie und Netzwerkmanagement schafft Circontrol einen Mehrwert für die Elektromobilität und deren Nutzer und trägt somit zur Beschleunigung des Übergangs zu nachhaltigen Transportlösungen bei.

Weitere Anwendungsfälle

Der Anwenderkreis von Teltonika Networks-Technologie macht deutlich, dass in den vergangenen Jahren in vielen weiteren Anwendungsbereichen das Hardware-Management mit der 4G-Technologie umgesetzt wurde. Beispiele für derartige Anwender sind:

• Anbieter für die Digitalisierung von Heizungskellern wieGreenfusion, die mit Hilfe von Mobilfunktechnologie Anlagen in puncto Kosten, Energieverbrauch und CO₂-Ausstoß überwachen; durch zentrale Kontrolle und das Monitoring der Anlagen in Echtzeit ist eine effiziente Handhabung von Fehlermeldungen, Störungen und Alarmen möglich
• Anbieter smarter Fahrradboxen, die wie in Fulda ein sicheres Parken und Laden von Fahrrädern im öffentlichen Raum ermöglichen, per App einfach reservierbar sind und vom Betreiber für die Fernwartung per 4G angesteuert werden
• Anbieter für Parkraumbewirtschaftung von Kundenparkplätzen wieLoyal Parking, die Mobilfunktechnologie für den Betrieb und Wartung ihrer digitalen Kennzeichensensorik sowie Sanktionierung von Fremdparkern nutzen
• Anbieter für ÖPNV, die ihre Stadtbusse mit 4G ausstatten, um Echtzeit-Fahrgastinformationen, GPS-Tracking, mobile Ticketing und drahtloses Internet für Fahrgäste anbieten zu können

Angesichts des neuen Mobilfunkstandards 5G stellt sich die Frage, ob zukünftige Investitionen direkt auf diesen Standard setzen sollten. Die hohe Übertragungsgeschwindigkeit und geringe Latenz von 5G ermöglichen eine schnelle und sichere Datenverarbeitung, was die halb- oder vollautomatische Betriebsführung sowie die präzise Analyse und Optimierung von Einsparpotenzialen erheblich verbessern könnte.

Für mobile Anwendungsfälle wie Stadtbusse und Einsatzleitwagen könnte der Einsatz von 5G zunächst als zu früh oder unnötig teuer erscheinen, da die derzeitigen Anforderungen des öffentlichen Nahverkehrs von 4G-Technologie zufriedenstellend erfüllt werden. Gängige Router, wie der RUTX50 von Teltonika Networks, sind jedoch rückwärtskompatibel zum LTE-Funknetz (4G). Dies macht die höheren Investitionen zukunftssicher. Wenn 5G verfügbar ist, wird im 5G-Netzwerk gefunkt, andernfalls erfolgt automatisch eine Umstellung auf LTE. Öffentliche Institutionen mit neuen Projekten können somit zukunftssicher in die fortschrittlichere Technologie investieren und vermeiden, in einigen Jahren doppelt investieren zu müssen, wenn LTE nicht mehr ausreicht oder verfügbar ist.

Es ist nicht überall notwendig, sofort auf 5G umzusteigen. In bestimmten Fällen ist es jedoch ratsam, heute schon 5G zu nutzen. Es gibt auch Fälle, in denen die Mehrinvestitionen in 5G weder heute noch in den nächsten fünf Jahren sinnvoll sind, sondern erst, wenn LTE final abgeschaltet wird. LTE ist für viele smarte Anwendungen in der Stadt ausreichend, wie beispielsweise bei der Verwaltung von Parkplätzen oder Fahrradboxen mittels Mobilfunktechnologie.

4. 5G in der Stadt entwickeln – Eine Akteursübersicht

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass 5G-Projekte im urbanen Umfeld häufig noch im Forschungs- und Innovationsstadium sind, in dem Anwendungsfälle erprobt werden. Gleichzeitig zeigt die vielfältige Landschaft der 5G-Akteure, dass bestimmte Anwendungen bereits in die Skalierungsphase übergegangen sind. Ziel der nachfolgenden Übersicht ist es, die Akteurslandschaft zu skizzieren und den Dialog mit Ihnen zu fördern.

Bei Teltonika Networks haben wir ein Interesse daran, die Bedürfnisse Anwender von 5G-Technologie zu verstehen und sie bei der Umsetzung ihrer Anwendungsfälle bestmöglich zu unterstützen. Bei Urban Digital möchten wir die relevanten Akteure kategorisieren und über deren Aktivitäten im Smart-City-Kontext berichten.

Lassen Sie uns gerne über die folgenden Fragen ins Gespräch kommen!

• Wie vernetzt ihr die in Smart-City-Projekten eingesetzten Anlagen und Geräte?
• Wenn LTE-Mobilfunk, was hat euch davon abgehalten auf 5G in den Projekten zusetzen?
• Ab wann lohnt es sich eurer Meinung nach ein privates 5G Campusnetz zu betreiben für die Stadt?
• Habt ihr schon einmal Projekte mit einem Teltonika Networks Mobilfunkrouter umgesetzt? Wenn ja, teilt doch einmal den Anwendungsfall für die Community-Mitglieder.
• Ihr habt noch nie von Teltonika Networks und deren IoT Hardware gehört, wollt aber gerne mehr über die Chancen und Möglichkeiten einer Zusammenarbeit erfahren? Dann kommt doch auf unser Urban Digital Team zu und wir helfen bei der Vernetzung.

5. Kontaktaufnahme