Mit 5G kann für jede Anwendung das passende, bei Bedarf sogar private, (Campus-)Netz zur Verfügung gestellt werden. Davon profitiert vor allem die Industrie, wie z. B. die Automobilproduktion, aber auch die öffentliche Sicherheit, Landwirtschaft und der Gesundheitsbereich. Nach und nach entwickelt sich 5G weiter und integriert wie ein Baukasten weitere Technologie-Bausteine, wie die Satelliten-Kommunikationstechnik für die Nutzung von 5G an entlegenen Orten oder Künstliche Intelligenz zur automatisierten Verwaltung und dynamischen Optimierung von Kommunikationsnetzen. Fraunhofer FOKUS arbeitet bereits jetzt an den Grundlagen für die kommende Mobilfunkgeneration 6G, u. a. im Fraunhofer-Leitprojekt SENTINEL.

Mit 5G hat sich das Kommunikationsnetz grundlegend verändert: Es ist nicht mehr Hardware-, sondern Software-basiert. Dabei ist das Netz nicht nur wesentlich schneller als sein Vorgänger 4G. Dank (Netz)virtualisierung ermöglicht 5G vielmehr eine flexible Netzrealisierung, je nach Anforderung der Anwendung. Klassischerweise lassen sich diese Anwendungen in drei Kategorien mit unterschiedlichen Anforderungen an das Netz unterteilen: Multimedia-Dienste, Internet of Things und einen Anwendungsbereich mit Anforderungen an geringe Latenz und hohe Verfügbarkeit, wie z. B. für die Maschinensteuerung in der Fabrik oder bei der Steuerung von unbemannten Vehikeln. Multimedia-Dienste fordern dabei vom Netz eine hohe Übertragungsbandreite. Diese steigt mit 5G auf bis zu 10 Gigabit pro Sekunde. Mit 4G waren bisher nur rund 100 Megabit pro Sekunde möglich. Mit dem Internet of Things sollen Millionen Geräte gleichzeitig einen Zugang zum Netz erhalten und untereinander Daten austauschen. Auch wenn das einzelne Gerät keine hohe Bandbreite benötigt, stellt die Summe der Geräte doch eine hohe Anforderung an die Netzkapazität. Und schließlich stellt der Anwendungsbereich mit Anforderungen an geringe Latenz und hohe Verfügbarkeit die größten technologischen Herausforderungen für 5G dar. Diese Anwendungen verlangen eine Vernetzung mit niedriger Latenzzeit sowie einen hohen Sicherheits-, Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsstandard. 5G soll dabei die Laufzeit der Signale um das Vierzigfache gegenüber LTE verringern, sodass die Reaktionszeit nur noch maximal eine Millisekunde beträgt.

Damit solche Anwendungen möglich werden, hat Fraunhofer FOKUS für die 5G-Forschung und -Entwicklung den Open5GCore entwickelt. Er ermöglicht die dynamische Konfiguration von 5G-Kommunikationsinfrastrukturen und die Einbindung von Hard- und Softwarekomponenten verschiedener Hersteller in ein Ende-zu-Ende 5G-Kommunikationsnetz. So lassen sich Fabriksteuerungen in privaten Netzen oder temporär errichtete 5G-Netzinseln für Festivals, Baustellen oder Katastropheneinsätze aufbauen. Ein solches nomadisches, also lokales und temporäres, Netz könnte beispielsweise für die Waldbrandbekämpfung genutzt werden, um unbemannte Einsatzfahrzeuge auf munitionsbelasteten Flächen zu steuern, die Einsatzkräfte zu koordinieren und Videos der aktuellen Lage in die Einsatzzentrale zu übertragen.

Zusammenführung von Satelliten- und terrestrischer Kommunikationstechnik

In Ballungszentren, wie z. B. Berlin, sind wir es gewohnt, an fast jedem Ort eine Mobilfunkverbindung nutzen zu können. Mit dem entsprechenden Gerät und Tarif jetzt bald auch mit 5G. Außerhalb von Gebieten, in denen die Infrastruktur für solche Anwendungen nicht ausgebaut ist, kann es schon einmal passieren, dass das Handy keine Verbindung zum Mobilfunknetz herstellen kann. Für ländliche Regionen, aber auch entlegene Orte wie Bohrinseln und Städte, arbeitet Fraunhofer FOKUS daran, dass sich dies ändert. Im Projekt »SATis5« erforschten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Kombination aus terrestrischem Mobilfunk und Satellitensystemen. Sie entwickelten zusammen mit Wissenschafts- und Industriepartnern Methoden und Systeme, um die beiden Kommunikationswelten direkt miteinander zu verbinden. Im White Paper »Satellite is 5G« wurden die Testumgebung sowie verschiedene 5G-Anwendungsfälle, die durch Satellitennetzwerke erst möglich bzw. leistungsfähiger werden, vorgestellt. Ein solches Netz kann z. B. für ein temporäres Netz für Messen und Großveranstaltungen, bei denen viele Multimediainhalte verbreitet werden, sinnvoll sein. Auch ein temporäres Netz für den Katastropheneinsatz, wie es jetzt im ALADIN-Projekt entwickelt wird, ist denkbar. Ein weiterer Einsatz bietet sich für (private) Netze an abgelegenen Orten, wie z. B. auf Frachtern oder Bohrinseln, aber auch für mobile Baustellen oder die Landwirtschaft an.

Das Kernnetz von Fraunhofer FOKUS

Um von der Flexibilität eines offenen, d. h. modularen und interoperablen, 5G-Netzes zu profitieren, wird in der SATis5-Testumgebung das Kernnetz von Fraunhofer FOKUS verwendet. Der Open5GCore ist ein weltweit erstes Standard-basiertes und herstellerunabhängiges 5G-Kernnetz. Mit dem Open5Gcore ist ein »Standalone«-Betrieb möglich, also ein eigenständiges 5G-Kernnetz, im Gegensatz zu »Non-Standalone«-Lösungen, die 5G-Basisstationen mit vorhandenen 4G-Kernnetzen kombinieren. Dies sichert die Unabhängigkeit von 4G-Netzen und bildet erst die Basis zur Realisierung hochleistungsfähiger 5G Netze für unterschiedlichste Anwendungsanforderungen. Der Open5GCore ist weltweit bereits in vielen 5G-Testumgebungen von Industrie und Forschung im Einsatz. Aktuell steht das Release 6 als Lizenz zur Verfügung.

Eine direkte Verbindung ins All

Für die Zukunft ist eine direkte Verbindung zwischen einem 5G-Smartphone und einem Satellitensystem geplant, ohne dass dafür ein spezielles Gerät benötigt wird. Weil LEO-Satellitensysteme (Low Earth Orbit) die Erde in nur rund 1.000 Kilometer Höhe umrunden, können sie 5G-Broadcast-Medien auch direkt ausstrahlen. Oder sie übernehmen selbst die Funktion einer Mobilfunk-Basisstation. Allerdings sind die Satelliten immer nur wenige Minuten in Funkreichweite. Um an einem Ort auf der Erde ständig Empfang zu haben, ist also eine ganze Flotte von Satelliten nötig. Diese befinden sich gerade im Aufbau oder sind in Planung. Denn für Technologien wie weltweiten IoT-Support für Maschinen und Fahrzeuge oder für Autonomes Fahren ist eine flächendeckende Funkabdeckung essentiell. Hier könnten Satellitensysteme und in Zukunft auch sogenannte non-terrestrische Netze (z. B. mittels High Altitude Platforms) in vielen Regionen der Erde erstmals die Voraussetzungen dafür schaffen. Und selbst in Ländern mit einem gut ausgebauten Mobilfunknetz könnten Smartphone oder Fahrassistenzsystem in einem Funkloch nahtlos auf Satellitenverbindung wechseln.

6G

Auch wenn Entwicklungen rund um 5G gerade erst richtig an Fahrt aufnehmen, denken die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schon weiter. Die Geschichte zeigt, dass alle acht bis zehn Jahre mit einer neuen Netzwerkgeneration gerechnet werden kann. Da 6G für 2030 geplant ist, muss die Grundlagenforschung jedoch bereits jetzt beginnen. Mit dem Leuchtturmprojekt SENTINEL startet die Fraunhofer-Gesellschaft ein Leitprojekt zur Entwicklung von Schlüsseltechnologien für den kommenden Mobilfunkstandard 6G. Der Fokus liegt dabei auf Terrahertz-Technologien und Lösungen für flexible Netze. Fraunhofer FOKUS ist zusammen mit vier weiteren Fraunhofer-Instituten an SENTINEL beteiligt, um gemeinsam eine technologische Spitzenposition in der 6G-Forschung zu erlangen. Um Mobilfunk im THz-Bereich Realität werden zu lassen, arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Entwicklung von Funkkanalmodellen und Link-Level-Simulatoren für den Frequenzbereich zwischen 100 und 300 GHz. Eine wichtige Säule dabei bilden Softwarelösungen, die eine flexible Gestaltung der Netze entsprechend der Anwendungen und aktuellen Betriebssituation ermöglichen. Grundlegend für eine THz-basierte Ende-zu-Ende-Kommunikation ist ein modulares und softwarebasiertes Kernnetz, das flexibel um sichere und vertrauenswürdige Komponenten zur dynamischen Steuerung erweitert werden kann, die Integration neuartiger Zugangs- und Backhaulnetze ermöglicht und insbesondere auch eine KI-basierte Netzautomatisierung unterstützt. Ziel ist die Entwicklung und Demonstration einer hoch anpassungsfähigen Architektur für heterogene 6G-Netze, in denen neben THz-Technologien insbesondere Satelliten und fliegende Plattformen eine Rolle spielen.

6G soll die Leistungsfähigkeit des Mobilfunks in puncto Spitzendurchsatz und Anwenderdatenrate, Zuverlässigkeit und Latenz sowie Energieeffizienz und Lokalisierungsgenauigkeit nochmal einen deutlichen Schritt voranbringen. Insgesamt wird diese Leistungssteigerung bei 6G mit einer sehr viel höheren Verbindungsdichte einhergehen.