Patente und Standards 5G in der Smart Factory – wer hat hier die Nase vorn?

Autor / Redakteur: Dr. Tim Pohlmann* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der Mobilfunkstandard 5G verspricht hohe Bandbreiten und geringe Latenzzeiten. Egal, ob virtuelle oder erweiterte Realität oder die künstliche Intelligenz. Sie alle kommen in der Smart Factory zum Einsatz. Patente und Standards spielen hier eine wichtige Rolle.

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Digitale Fabrik: Mit 5G lassen Anwendungen für AR/VR und künstliche Intelligenz betreiben. Dazu notwendig sind Standards und Patente.
Digitale Fabrik: Mit 5G lassen Anwendungen für AR/VR und künstliche Intelligenz betreiben. Dazu notwendig sind Standards und Patente.
(Bild: Eriscon)

Um die große Menge an Daten und Informationen von vernetzten Geräten zu verwalten, benötigen Fertigungsunternehmen die Kapazität und Geschwindigkeit von 5G. Von der Beschaffung bis zum Vertrieb können Hersteller dank 5G mehr Sensoren, Geräte und Anlagen über ein einziges Netzwerk verbinden und so einen besseren Einblick in die Lieferkette erhalten. Die Möglichkeiten der über 5G verbunden Geräte sind nahezu endlos. So helfen vernetzte Geräte beispielsweise, die vorausschauende Wartung und die betriebliche Effizienz in der Fabrikhalle zu verbessern sowie Diebstahl und Qualitätsprobleme in den Logistikkanälen zu verhindern.

Die Automobilbauer nutzen bereits Co-Bots oder kollaborative Roboter, um schwer zugängliche, gefährliche Aufgaben unter dem Auto zu erledigen, während menschliche Arbeiter Aufgaben außerhalb des Autos ausführen. Dank 5G können Roboter agiler arbeiten und treffen schnellere Entscheidungen – das nahezu in Echtzeit und mit geringer Latenz. In künftigen Fabrikhallen stehen kleinere autonome und kollaborierende Roboter, die ganz unterschiedliche Aufgaben ausführen. Die Roboter entlasten nicht nur ihre menschlichen Kollegen, sondern optimieren die Produktion in den Fabriken.

5G unterstützt virtuelle Realität und KI

Mit 5G unterstützt die Mitarbeiter bei dem Einsatz von Technologien wie Virtual Reality überall in der Fabrikhalle. Die Mitarbeiter können 5G auch für Schulungen, Maschinenwartung, Datenvisualisierung und Design nutzen. Bessere Bandbreiten bedeuten eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass AR/VR-Verbindungen verloren gehen oder dass die Technologie um Verbindungen konkurrieren muss. So könnte jeder Fabrikarbeiter ein AR-Headset benutzen, mit dem er die Produktion einer Maschine einstellen kann, ohne sie zu berühren.

Auch künstliche Intelligenz (KI) wird ein wesentliches Merkmal der intelligenten Fabrik der Zukunft sein. Dazu notwendig ist ein Zugang zu großen Mengen an qualitativ hochwertigen Daten in Echtzeit, um effizient zu arbeiten. Die massiven IoT-Verbindungen und hohen Geschwindigkeiten von 5G werden es der KI Anwendungen schließlich ermöglichen, schnell aus ihren Fehlern zu lernen und intelligentere, schnellere und zuverlässigere Entscheidungen zu treffen.

Derzeit wird KI nur dort eingesetzt, wo sich wiederholende Aufgaben zu erledigen sind. Irgendwann könnte KI die Produktion in der Fabrikhalle mit wenig bis gar keinem menschlichen Eingriff steuern. Aber KI wird nicht Maschinen steuern, sondern sie kann Problemen in der Lieferkette vorhersagen, Betrug verhindern und Produktionsmöglichkeiten bewerten.

Die 5G-Smart-Factory der Zukunft wird sich auf eine vollständig vernetzte Umgebung konzentrieren. Von vielen verbundenen Geräten bis hin zu Echtzeit-Automatisierung und Netzwerkflexibilität wird 5G dazu beitragen, die Smart Factory entscheidend voranzubringen. Und Fertigungsunternehmen könnten letztendlich große Vorteile wie Leistungsverbesserungen, Betriebseffizienz und erhöhte Sicherheit realisieren.

Spezifische Anforderungen der Fertigungsindustrie

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) bezieht sich auf eine vollständig vernetzte Produktionsumgebung, die sich selbst organisiert. Damit lassen sich Produkte leichter herstellen. Dazu kommunizieren die Fertigungsanlagen, Logistiksysteme und Netzwerke von eingebetteten Produktionssystemen. Die Fertigungsindustrie hat spezifische Anforderungen an 5G, die sich deutlich von den öffentlichen mobilen Breitbanddiensten für Smartphones unterscheiden. Bei Smart-Factory-Anwendungen sind bestimmte 5G-Anwendungsprofile Voraussetzung. Dabei gibt es insbesondere drei relevante 5G-Standards, die zunehmend in Smart-Factory-Umgebungen eingesetzt werden. 5G-Standards spielen eine zentrale Rolle bei der Konnektivität in einer intelligenten Fabriken. Dabei kommt es auf die folgenden drei Hauptanwendungsprofile an:

  • Ultra-Reliable und Low Latency Communications (uRLLC),
  • Massive Machine Type Communications (mMTC) und
  • Enhanced Mobile Broadband (eMBB).

Das Anwendungsprofil uRLLC ist für zeitkritische Anwendungen mit hohen Anforderungen an Reaktionszeiten, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit gedacht (autonomes Fahren oder Automatisierung). Ein Ansatz, die Stärke der 5G-Technologieführerschaft zu bewerten, ist die Analyse der Beteiligung von Unternehmen an der Entwicklung des 5G-Standards. Dieser Ansatz geht davon aus, dass Unternehmen mit dem größten Einfluss auf den 5G-Standard die stärksten 5G-Technologien der Zukunft bereitstellen werden.

Die Entwicklung der Standards erfolgt in Standardkonsortien. Im Fall von 5G ist das beim 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Diese Art von Konsortien sind beitragsbasiert. Mitgliedsunternehmen können technische Vorschläge zur Aufnahme in den Standard einreichen, über die dann abgestimmt wird. Die endgültigen Spezifikationen wurden daher von Hunderten von globalen Experten geprüft, die in der Regel für Unternehmen arbeiten, die Wettbewerber auf dem Markt sind.

Es erfordert erhebliche Forschung und Investitionen, um technisch sinnvolle und überzeugende Beiträge zu leisten. Unternehmen können in Standardkonsortien wie der 3GPP nur dann Glaubwürdigkeit erlangen, wenn sie regelmäßig an den Treffen teilnehmen und die besten Spezifikationen entwickeln. Sie können ihre selbst entwickelten und nicht selten patentierten Technologien in den Standard einbringen.

Die Top-Unternehmen beim uRLLC-Standard

Top 5G-Standardentwickler nach der Anzahl akzeptierter 3GPP-Beiträge für uRLLC-Spezifikationen (IPlytics Mai 2021).
Top 5G-Standardentwickler nach der Anzahl akzeptierter 3GPP-Beiträge für uRLLC-Spezifikationen (IPlytics Mai 2021).
(Bild: IPlytics)

Um die Führungsrolle bei der Standardentwicklung zu identifizieren, wurde die IPlytics-Datenbank verwendet, um die Anzahl der eingereichte 5G-Beiträge pro Unternehmen zu zählen. Das Bild zeigt die Top 10 Unternehmen, die sich an der uRLLC-Standardisierung beteiligt haben. Abgebildet ist die Anzahl genehmigter technischer Beiträge, die für uRLLC eingereicht wurden. In den gezählten technischen Beiträgen sind redaktionelle Änderungen oder formale Korrekturen des Standards nicht mit einberechnet, umso nur wirklich technische Beiträge zu zählen. Zu sehen ist, dass Huawei, Ericsson und Nokia die Technologieführer sind, gefolgt von Intel, NTT Docomo und ZTE.

Top 5G-Standardentwickler nach der Anzahl akzeptierter 3GPP-Beiträge für mMTC-Spezifikationen (IPlytics Mai 2021).
Top 5G-Standardentwickler nach der Anzahl akzeptierter 3GPP-Beiträge für mMTC-Spezifikationen (IPlytics Mai 2021).
(Bild: IPlytics)

Massive Machine Type Communications (mMTC): unterstützt den Einsatz einer hohen Anzahl von Geräten pro Flächeneinheit und gewährleistet eine hohe Energieeffizienz der Endgeräte. mMTC wird im IIoT und für massiv vernetzte Sensoren ohne externe Stromversorgung eingesetzt. Die wichtigsten Mitwirkenden an mMTC-Standards zeigt das Bild. Ericsson ist für mMTC Technologieführer, gefolgt von Huawei, Nokia, Qualcomm und Intel.

Top 5G-Standardentwickler nach der Anzahl akzeptierter 3GPP-Beiträge für emBB-Spezifikationen (IPlytics Mai 2021).
Top 5G-Standardentwickler nach der Anzahl akzeptierter 3GPP-Beiträge für emBB-Spezifikationen (IPlytics Mai 2021).
(Bild: IPlytics)

Enhanced Mobile Broadband (eMBB): ermöglicht Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen sowie Massenstreaming von hoch- und höchstauflösenden Videos. Die technischen Fähigkeiten von eMBB sind entscheidend für vielfältige Smart-Factory-Anwendungen. Anwendungsfälle, die in das eMBB-Anwendungsprofil fallen, erfordern hohe Übertragungsraten und eine große Kapazität im Verhältnis zu einer bestimmten Flächeneinheit. Das Bild zeigt die Top-Standardentwickler in Bezug auf die genehmigten Beiträge, die zu den eMBB-Spezifikationen eingereicht wurden. Huawei ist Technologieführer für eMBB und liegt an der Spitze, dicht gefolgt von Ericsson und Nokia.

Der Einfluss von Patenten bei 5G

Obwohl Standardbeiträge sich in ihrer Auswirkung auf die 5G-Technologien unterscheiden und nicht dazu gedacht sind, Eigentum am 5G-Standard zu übertragen, ist die Analyse dieser Beiträge eine Möglichkeit, das Engagement und die Investitionen von Unternehmen in die Entwicklung von Konnektivitätsstandards wie 5G zu bewerten. Die Zählung und Analyse der eingereichten Beiträge zeigt, wie hoch der Anteil und Einfluss der Unternehmen an der Standardentwicklung ist.

Top 20 5G Patentbesitzer nach Anteil aller erteilten 5G-Patentfamilien (IPlytics Mai 2021).
Top 20 5G Patentbesitzer nach Anteil aller erteilten 5G-Patentfamilien (IPlytics Mai 2021).
(Bild: IPlytics)

Patente spielen bei dem Einfluss auf 5G eine große Rolle. Der 5G-Standard unterliegt Hunderttausenden von so genannten Standard-Essentiellen-Patenten (SEPs). Diese Patente beanspruchen Erfindungen, die sich auf jede Umsetzung des Standards beziehen. Mit anderen Worten, wer einen Standard wie 5G implementiert, muss auch alle SEPs nutzen und umsetzen. Unternehmen, die diese Standards entwickeln, müssen sich verpflichten, SEPs die in den Standard einfließen unter fairen, angemessenen und nicht-diskriminierenden (FRAND-)Bedingungen zu lizenzieren. Dadurch wird sichergestellt, dass kein Patentinhaber einen Implementierer daran hindern kann, den Standard in Produkten zu verbauen.

Patentinhaber haben jedoch das Recht, Lizenzgebühren für SEPs zu verlangen, und jeder Implementierer muss eine Lizenzgebühr zahlen, um 5G-Technologien zu verbauen. Das Bild zeigt den Anteil der 20 Patent stärksten Unternehmen. Um die Patentführerschaft für den 5G-Standard zu identifizieren, wurde die IPlytics-Datenbank verwendet, um den Anteil deklarierter und erteilter 5G-Patentfamilien pro Unternehmen zu berechnen.

Technologiestandards und Zahl der Patente

Die Zukunft der Smart-Factory-Technologien hängt von der Implementierung patentierter Konnektivitätsstandards ab. Dabei müssen Experten für technische Standards die Fortschritte der aktuellen Technologiestandards nutzen und gleichzeitig mit der zunehmenden Anzahl von Patenten Schritt zu halten, die bei der Implementierung von Konnektivitätsstandards verwendet werden müssen und die ein lizenziert werden müssen, wenn Patentinhaber Lizenzgebühren verlangen.

Patentfachleute in allen Branchen müssen überdenken, wie sie Patentportfolios in Bezug auf Standards entwickeln, bewerten und analysieren. Das bedeutet, diese so auszurichten, dass sie 5G-Entwicklungen schützen, sich an der Entwicklung von Standards zu beteiligen und proaktiv eine kontinuierliche strategische Portfolioentwicklung in Bezug auf Patentlizenzierung, Akquisitionen, Beitritt zu Patentpools und das Verständnis für die Konkurrenz zu betreiben.

Externer Link: „Who is leading the 5G patent race?“

* Dr. Tim Pohlmann ist CEO und Gründer von IPlytics in Berlin.

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