Datenaustausch mit PCs, Bild: Pixabay.com

Die hohe Geschwindigkeit ist eine wesentliche Voraussetzung für die Echtzeitkommunikation und stellt Industrie und Entwickler vor gewaltige Herausforderungen, denn immer mehr Geräte, Maschinen und Alltagsgegenstände kommunizieren untereinander: Alle zwei Jahre verdoppelt sich das weltweite Datenvolumen. Bild: Pixabay.com

"Daten müssen nahe an den Quellen gefiltert und analysiert werden, wodurch eine schnelle Reaktionsfähigkeit von Systemen möglich wird", sagt Professor Slawomir Stanczak, Co-Leiter der Abteilung Wireless Communications and Networks am Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik Heinrich-Hertz-Institut HHI. Ultrakurze Latenzzeiten von unter einer Millisekunde, eine 100-mal höhere Datenrate als heutige LTE-Netze, Spitzenübertragungsraten von mehr als zehn Gigabit pro Sekunde, robuste Funkverbindungen bei drastisch geringerem Stromverbrauch: Das sind die Anforderungen an den neuen Mobilfunkstandard 5G, der den Weg zu den Zukunftsthemen Internet der Dinge, automatisiertes Fahren und zu relevanten Fortschritten bei der Gesundheitsversorgung durch Telemedizin, beim smarten Wohnen für beeinträchtigte Menschen und auch bei der Energiewende auf Basis von Smart Grids bereiten soll.

Dabei nur von einem neuen Mobilfunkstandard zu sprechen, ist zu wenig, stellt Professor Thomas Magedanz, Leiter des Geschäftsbereichs Software-based Networks am Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme Fokus, klar: "Es geht darum, ein universelles Netz für die Kommunikation von Geräten zu schaffen, wofür bisherige Mobilfunkstandards, WLAN, Satelliten- und Festnetze zusammengeführt werden. 5G ist die ultimative Konvergenz-Plattform."

Daher muss eine neue Softwarearchitektur für ein adaptives Kern-Netz geschaffen werden, das hochagile Infrastrukturen bietet und so die Grundlage für neue Geschäftsmodelle bilden kann. Magedanz spricht von einer "evolutionären Entwicklung". Für Technologien wie automatisiertes Fahren sei es entscheidend, dass die Reaktionszeiten schneller als menschliche sind. Aber: "Geschwindigkeit ist nicht alles. Wichtig sind sichere, extrem verlässliche Verbindungen, die es mit kabelgebundenen Systemen aufnehmen können", betont Stanczak, Informationstheoretiker für Netze.

Deutschland muss 5G-Leitmarkt werden

Grafik 5G-Leistung, Bild: 5G Berlin
Das soll 5G in zukunft leisten. Bild: 5G Berlin

Bis zu dem avisierten Start der fünften Mobilfunkgeneration in knapp fünf Jahren ist noch viel zu tun. Gerade in Deutschland, das im weltweiten Ranking der Länder mit der modernsten digitalen Infrastruktur auf Platz sechs abgerutscht ist. Um Vorreiter bei Industrie 4.0 sein zu können, muss Deutschland auch Leitmarkt für 5G werden. Der Erfolg der Technologie steht und fällt mit globalen Standards und regulatorischen Rahmenbedingungen.

Fraunhofer-Wissenschaftler engagieren sich dazu intensiv in verschiedenen Gremien und wirken an strategischen Projekten mit. Am Leistungszentrum Digitale Vernetzung wird sowohl an Basis- und Querschnittstechnologien als auch an praktischen Anwendungen geforscht. In vier Transferzentren – Internet of Things Lab (Fraunhofer Fokus), Cyber Physical Systems Hardware Lab ( Fraunhofer IZM), Industrie 4.0 Lab (Fraunhofer IPK) und am 5G Testbed (Fraunhofer HHI) – sollen neue Technologien wie softwarebasierte Netze in einer realitätsnahen Laborumgebung implementiert, getestet und demonstriert werden. Hier lernt 5G das Laufen.

KMU haben Bedenken

Vor allem der Mittelstand hegt noch große Bedenken in puncto Zuverlässigkeit und Robustheit der Funkverbindungen. Das bremst Entwicklungen der Machine-to-Machine-Vernetzung und letztlich Industrie 4.0. An Lösungen für sichere dezentrale Datencenter und an abhörsicheren digitalen Verbindungen, insbesondere für die Industrie, arbeiten dies Fraunhofer-Institute für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI und für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM bei SAVE, einem Teilprojekt des Berliner Leistungszentrums "Digitale Vernetzung". Entscheidend wird sein, dass die Daten dezentral und damit schnell ausgewertet werden.

Im Förderprojekt "fast automation" des Bundesministeriums für Bildung und Forschung entwickelt unter anderem das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS eine Echtzeit-Funktechnologie, die lizenzfreie Frequenzbänder nutzt und dabei in weniger als einer Millisekunde reagiert. "Gerade in der Industrieautomatisierung und im Straßenverkehr sind geringe Latenzzeiten und Störsicherheit entscheidend", betont Bernhard Niemann, Abteilungsleiter Breitband und Rundfunk am Fraunhofer IIS.

Grafik Fog / Edge Computing, Bild: TechTarget: Fog Computing
Beim Fog / Edge Computing werden Daten nicht zentral in der Cloud verarbeitet, sondern auf Geräten wie Smartphones, Kameras, Sensoren. Diese stellen die Schnittstelle, den »Rand« (Edge) zwischen Internet und physischer Welt dar. So kann Effizienz bei Antwortzeiten, Breitbandbedarf und Speicherbedarf gewonnen werden. Bild: TechTarget: Fog Computing

Bei solchen Anwendungen müssen die Informationen etlicher Sensoren extrem schnell lokal verarbeitet werden – zentral über die Cloud dauert das viel zu lange und ist zu fehleranfällig. Die Lösung: "Fog Computing".

Dieser Architekturansatz nutzt die Miniaturisierung von Sensorik und Rechenleistung, um direkt vor Ort per Mobile Edge aufgabenspezifisch Daten, etwa über das Verkehrsaufkommen, auszuwerten und aufzubereiten. Im Projekt HardFOG wollen Fraunhofer-Forscher verschiedene Sensorknoten als hochleistungsfähige Sensorsysteme miniaturisiert aufbauen. Das soll gelingen, indem Chips, Speicherbausteine, Schnittstellen sowie stromsparende Spannungswandler in den Sensorknoten integriert werden.

Besonders der Aspekt Energieeffizienz wird in mehreren Projekten verfolgt: Wenn den Batterien der vielen verteilten Sensoren zu schnell der Strom ausgeht, nützen auch schnelle Übertragungsnetze nichts. Die Forscher sind überzeugt, mit 5G eine bis zu zehnmal so lange Laufzeit für Niedrigenergie-Sensoren zu erzielen und denken dabei an eine Batterielebensdauer von bis zu 15 Jahren. "Im Erlanger Leistungszentrum Elektroniksysteme forschen wir daran, den Stromverbrauch für das Internet der Dinge auf minimales Niveau zu senken", erklärt Professor Albert Heuberger, Leiter des Fraunhofer IIS. Intelligente Tracking-Systeme sollen bald Ortungsaufgaben mit einem Bruchteil der heute üblichen Energiemenge erledigen.

Neue Materialien sorgen für Energieeffizienz

Für mehr Energieeffizienz sollen auch innovative Materialien wie Galliumnitrid sorgen. Mit diesem Halbleitermaterial lassen sich stromsparende und leistungsstarke Mobilfunk-Sendeverstärker realisieren. Da mehr Betriebsfrequenzen möglich sind, kann neben der Reichweite auch die übertragbare Datenrate deutlich erhöht werden.

Die Hardware wird sich wandeln müssen, um fit für künftige Netze zu werden. "Es sind neue Hardwarekomponenten erforderlich, die enorme Datenmengen mit höchster Geschwindigkeit bei gleichzeitig niedrigstem Energieverbrauch verarbeiten können«, betont Professor Hubert Lakner, Vorsitzender des Fraunhofer-Verbunds Mikroelektronik. Gemeinsam mit Industriepartnern entwickelt Fraunhofer eine neue Generation Halbleiterprozesse, mit der sich Transistoren mit geringer Latenz und geringem Energieverbrauch kostengünstig herstellen lassen.

Natürlich werden sich auch die Endgeräte für Konsumenten verändern, um 5G voll ausnutzen zu können. Einen ersten Eindruck wird man sich bei den Olympischen Winterspielen in Südkorea 2018 oder bei den Sommerspielen 2020 in Tokio verschaffen können, wo Pionier-Anwendungen großflächig demonstriert werden sollen. Dann könnten sich Zuschauer in den Stadien mit ihren Virtual-Reality-Brillen näher an das Geschehen heranzoomen, Zeitlupenwiederholungen abrufen oder ad-hoc über Online-Abstimmungen wetten, wer gewinnt. Die Wissenschaftler erwarten aber bei der Umstellung auf 5G keinen Big Bang, sondern eine signifikante Evolution, die vorhandene feste und mobile Breitbandnetze in das Netz einbindet. hei