Fraunhofer FOKUS | FOKUS Newsletter

Alles 5G, oder was!?

Spätestens seit bekannt ist, dass die Bundesnetzagentur Anfang 2019 wieder Mobilfunkfrequenzen versteigern wird, ist 5G in aller Munde. 5G ist aber nicht einfach nur der Nachfolger von 4G – vielen eher unter LTE oder genauer gesagt LTE+ bekannt. Mit 5G ist es erstmals möglich, für jede Anwendung das individuell passende Netz zur Verfügung zu stellen. Davon profitiert vor allem die Industrie, wie die Automobilproduktion, aber auch die öffentliche Sicherheit und der Gesundheitsbereich. Fraunhofer FOKUS bietet hierfür herstellerübergreifend Software-basierte Bausteine für das Netz der Zukunft und stellt erste Anwendungsbeispiele vor.

Einen ersten Eindruck von der neuen 5G-Netzinfrastruktur konnten die rund 450 Besucher der Berlin5GWeek vom 13.-16. November bei Fraunhofer FOKUS bekommen. Die Fraunhofer-Forscher stellten dem internationalen Publikum unter anderem die Testumgebung »Berlin 5G Playground« vor. Sie dient dazu, verschiedene Anwendungen und 5G-Komponenten der intelligenten softwarebasierten 5G-Netzinfrastruktur zu testen – von zukünftigen Fabriksteuerungen in privaten Netzen bis hin zu temporär errichteten 5G-Netzinseln für Spezialeinsätze oder ländliche Regionen. Eine solche temporäre Netzinsel könnte beispielsweise ein Kleintransporter sein, der zukünftig z. B. auf Baustellen eingesetzt wird, um ein Spezialnetz des Bauunternehmens zu betreiben. Das Fahrzeug, ausgestattet mit diversen Modems und Antennen, kann beispielsweise als temporäre 5G-Insel in nahezu Echtzeit die Videodaten der Überwachungskameras auf der Baustelle übermitteln und so dabei helfen, Diebstähle schneller zu entdecken und zu vermeiden.

Was ist so besonders an 5G?

Wenn ab 2020 solche Anwendungen möglich sind, liegt ein langer Weg hinter dem Mobilfunk: Los ging es im Jahr 1958 mit 1G. Dabei erfolgte die Sprachübertragung noch analog und Verbindungen mussten per Hand vermittelt werden. Mit 2G wurde 1992 erstmals die digitale Sprachübertragung eingeführt. In mehreren Zwischenschritten entwickelte sich der Mobilfunkstandard zu 3G weiter, der ab 2004 das gleichzeitige Senden und Empfangen von Datenströmen mit einer Bandbreite von bis zu 384 Kbit/s ermöglichte. 2010 wurde schließlich 4G bzw. LTE eingeführt. Theoretisch waren nun bis zu 500 Mbit/s beim Download möglich. Mit 5G werden ab 2020 Übertragungsgeschwindigkeiten von mehr als zehn Gigabit pro Sekunde, also rund 1000mal schneller als 4G, realisierbar.

5G ist aber viel mehr als ein Mobilfunkstandard. Mit 5G wird es möglich sein, nahezu jeden Gegenstand zu vernetzen. Dies ermöglicht zum einen die extreme Bandbreite und große Reichweite des Standards. Diese Eigenschaft wird auch als Enhanced Mobile Broadband (eMBB) bezeichnet. 4G erlaubte bisher die Nutzung eines Frequenzbereichs von 700 Megahertz bis zu 2,7 Gigahertz. Mit 5G wird dieser Bereich auf bis zu sechs Gigahertz erweitert, und es kommt ein zweiter Frequenzbereich bis 52 Gigahertz hinzu. Für Anwendungen, bei denen es auf Energieeffizienz und die Einbindung von vielen Endgeräten ankommt, stehen zukünftig Frequenzbereiche von unter einem Gigahertz bereit. Darüber hinaus erhöht sich auch die Übertragungsgeschwindigkeit auf mehr als zehn Gigabit pro Sekunde. Besonders für Critical IoT Anwendungen wird dies interessant sein. Mit 4G war bisher maximal ein Gigabit pro Sekunde möglich. Entscheidend für viele zeitkritische Anwendungen wird zukünftig die Latenzzeit sein, also die Zeit zwischen dem Auftreten eines Ereignisses und dessen Sichtbarwerden. Diese Zeit ist zum Beispiel bei der Überwachung von industriellen Fertigungsprozessen oder der vernetzten Mobilität wichtig.

Automatisiertes Fahren

Gerade bei der Digitalisierung der Fahrzeuge und Straßeninfrastruktur für eine Fahrzeug-zu-X-Kommunikation erhoffen sich die Experten mehr Verkehrssicherheit. Dabei unterstützt auch 5G. Unter dem Begriff LTE-Vehicle-to-anything (V2X) erprobt Fraunhofer FOKUS erste kommerzielle LTE-V2X-basierte Produkte von Huawei für die direkte Kommunikation von Fahrzeug-zu-Fahrzeug, Fahrzeug-zu-Infrastruktur und Fahrzeug-zu-Netzwerk. V2X-Anwendungen gelten international als grundlegende Voraussetzung für den vernetzten Fahrzeugbetrieb und als Basis für die zukünftige 5G-Nutzung. Für das vernetze, autonome Fahren spielt neben 5G auch Künstliche Intelligenz eine entscheidende Rolle. Das Auto kann mit Hilfe Künstlicher Intelligenz (KI)-Algorithmen in nahezu Echtzeit ein realitätsnahes Umgebungsbild erstellen. Die innovativen KI-Algorithmen von FOKUS unterteilen Bilddaten von Kameras und Laserscannern in Objektklassen wie Fahrbahn, Fahrzeug, Fußgänger und trennen einzelne Elemente und Objekte voneinander. So können zukünftig von schlauen Autos Fußgänger in einer Menschenmenge auseinandergehalten und ihre korrekte Position berechnet werden. Fahrzeug-zu-X-Anwendungen testen die FOKUS-Forscher im Live-Betrieb des »Digitalen Testfeld Stadtverkehr« in Berlin und im virtuellen Raum mit der Simulationsumgebung VSimRTI. Mobilitätsanwendungen verteilt in der Edge rechnen erfordert komplexe Validierungen mit realitätsnahen Szenarien. Fraunhofer FOKUS bietet hierfür einen Simulator für 5G-Mobilfunkkommunikation und geprüfte Verkehrsbewegungen des Großraums Berlin-Brandenburg mit über 290.000 virtuellen Fahrzeugen an – für eine sichere, datenschutzfreundliche und nachhaltige urbane Mobilität.

Das Netz im Netz

5G wird ohne intelligente Software nicht denkbar sein. Was Software ermöglicht, zeigt das sogenannte Network Slicing. FOKUS-Wissenschaftler ermöglichen bereits jetzt mit ihrem softwarebasierten 5G-Kernnetz mehrere virtuelle Netze nebeneinander zu betreiben. Auf diese Weise können verschiedene Anwendungen getrennt voneinander und dennoch parallel betrieben werden. Während in einem Slice beispielsweise ein Streaming Dienst, der eine hohe Bandbreite benötigt, betrieben wird, läuft im benachbarten Slice eine zeitkritische Anwendung für die Robotersteuerung, für die eine niedrige Latenzzeit und hohe Zuverlässigkeit garantiert werden muss. Gerade bei zeitkritischen Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen wird auch das sogenannte Edge Computing ein Thema werden: Dezentrale Rechenressourcen nah am Einsatzort übernehmen dabei die Berechnung dieser Anwendungen. Network Slicing und Edge Computing werden bereits heute im »Berliner5GPlayground« für Industrial-IoT-Anwendungen erprobt und optimiert. Den Partnern steht dafür ein 100 Gbit-Breitbandanschluss zur Verfügung, über den sich Deutschlandweit Interessierte an das schnelle Testnetz anschließen können.

Private Firmennetze

Für private Firmennetze bietet 5G neben Network Slicing eine weitere Möglichkeit: Unternehmen können auf ihren Firmengeländen eine individuelle Netzinfrastruktur aufbauen. Dafür hat die Bundesnetzagentur für Unternehmen und regionale Anbieter erstmalig einen Teil des Mobilfunkspektrums im Bereich zwischen 3.700 und 3.800 Megahertz sowie bei 26 Gigahertz reserviert. Mit diesen privaten Netzen sind die Unternehmen nicht mehr von Mobilfunkanbietern abhängig und können beispielsweise auch besonders hohe Anforderungen an Datensicherheit garantieren.

5G als Integrationstechnologie

5G ist eine Integrationstechnologie, die 4G nicht überflüssig macht. Vielmehr integriert 5G stationäre, mobile, DSL, LTE oder auch Satelliten-Netze zu einem neuen Netz. Die Bundesnetzagentur hat in ihren Vergaberegeln für die neuen Frequenzen festgeschrieben, dass bis Ende 2022 98 Prozent der Haushalte in den Bundesländern mit 100 Mbit/s versorgt werden müssen. Wer den Zuschlag erhält, erfahren wir im Frühjahr 2019.

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR OFFENE KOMMUNIKATIONSSYSTEME

FOKUS Newsletter

Alles 5G, oder was!?