Echtzeitkommunikation – Warum das Internet taktil werden muss

Vom Internet der Zukunft werden viele Lebensbereiche profitieren: von der Industrie über die Gesundheitsversorgung bis hin zu Verkehrssteuerung oder intelligenter Logistik. Wesentliche Grundlage dafür wird 5G sein, die nächste Generation des Mobilfunks.

Mehr Daten, mehr Tempo, mehr Sicherheit

Globale Datenströme
© Foto ITU ICT Facts and Figures 2015-2020

Der globale Datenstrom steigt rasant. Mehr Effizienz wird benötigt, um Staus zu vermeiden.

© Foto Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2015-2020 White Paper

Die vierte industrielle Revolution hat in der Produktion, dem Herzstück der deutschen Wirtschaft, schon begonnen: Industrie 4.0 führt zu einer hochflexiblen Serienproduktion, die auch individuelle Kundenwünsche kostengünstig erfüllt. Doch um Deutschlands gute Startposition auszubauen, wird eine leistungsfähigere Telekommunikationsinfrastruktur als bisher benötigt.

Die hohe Geschwindigkeit ist eine wesentliche Voraussetzung für die Echtzeitkommunikation – das Fundament für das Internet der Dinge. Dieses Ziel stellt Industrie und Entwickler vor gewaltige Herausforderungen, denn immer mehr Geräte, Maschinen und Alltagsgegenstände kommunizieren untereinander: Alle zwei Jahre verdoppelt sich das weltweite Datenvolumen.  

5G – mehr als ein neuer Funkstandard

Doch wie lassen sich die rasant wachsenden Informationsmengen bearbeiten? »Dazu müssen Daten 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.« Oder kurz: »5G ist die ultimative Konvergenz-Plattform«, verdeutlicht der Experte für Architekturen von Vermittlungsknoten.

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. 

Mobilfunkgenerationen
© Foto Fraunhofer HHI

Fraunhofer bündelt Kernkompetenzen zu 5G

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-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler engagieren sich dazu intensiv in verschiedenen Gremien und wirken an strategischen Projekten mit. Dazu bündeln sie die Kernkompetenzen ihrer Institute: Das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut  HHI in der optischen Funkkommunikation und Signalverarbeitung, das Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme FOKUS bei softwarebasierten Netzen, das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltung IIS bei Kommunikationssystemen und Lokalisierungstechnologien und das Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE bei System-Architekturen. Um Fragen der Sicherheit kümmern sich die Initiative Industrial Data Space sowie das Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC und Fraunhofer-Institut für Sichere Informationstechnologie SIT. Zu den notwendigen Innovationen in der Hardware tragen die Institute aus dem Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik bei. 

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

5G Leistung
© Foto 5G Berlin

Für die nächste Mobilfunkgeneration werden alle technologischen Stellgrößen optimiert.

Sicher, zuverlässig, effizient

Vor allem der Mittelstand hegt noch große Bedenken in puncto Zuverlässigkeit und Robustheit der Funkverbindungen. Das bremst Entwicklungen der Machine-to-Machine (M2M)-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.

Cloud und Fog
© Foto 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.

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-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS. Intelligente Tracking-Systeme sollen bald Ortungsaufgaben mit einem Bruchteil der heute üblichen Energiemenge erledigen.

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. »So schöpfen wir nicht nur das Potenzial des LTE-Standards bestmöglich aus, sondern schaffen auch die optimalen Voraussetzungen für die Einführung von 5G«, erläutert Professor Oliver Ambacher, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF. Für seinen Beitrag zur Entwicklung hocheffizienter Leistungsverstärker wurde er mit dem Karl Heinz Beckurts-Preis 2015 geehrt.

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.

Glossar

Die wichtigsten Begriffe zum Thema taktiles Internet kurz erklärt.

Darunter versteht man eine extrem kurze und für den Menschen nicht wahrnehmbare Reaktionszeit (weniger als eine Millisekunde) einer via Internet gesteuerten Anwendung. Damit werden zukünftige Anwendungen, etwa in der Telemedizin oder Car2Car-Kommunikation, möglich. Vor allem aber wird so das Internet der Dinge realisiert.

Gilt als der Nachfolgestandard des derzeitigen mobilen Funknetzes 4G (LTE). Mit ihm sollen extrem schnelle Surfgeschwindigkeiten und Reaktionszeiten möglich werden. Ziel ist auch, verschiedene Netze und Funkverbindungen zusammenzubringen, womit eine hochkomplexe IKT-Plattform geschaffen wird. Diese wird bestehende Mobilfunktechnologien der vierten Generation sowie WLAN, diverse Fest- und Satellitennetze zu einem flexiblen Gesamtsystem verbinden. Die Technik soll bis 2020 verfügbar sein.

Long Term Evolution (LTE) bezeichnet den Mobilfunkstandard der vierten Generation – und ist die aktuell modernste Verbindungstechnik. Die Downloadrate liegt bei bis zu 300 Megabit pro Sekunde. Der dafür genutzte Frequenzbereich ist das UHF-Frequenzband, bei dem regional variierend 700 bis 2600 Megahertz verwendet werden.

Latenz ist die Verzögerungs- oder Reaktionszeit. Sie bezeichnet den Zeitraum zwischen einer Aktion und dem Eintreten einer Reaktion, beispielsweise bei der Signallaufzeit.

Echtzeitsysteme ermöglichen die unmittelbare Steuerung und Abwicklung von Prozessen, was unter anderem in der Robotik oder bei Motorsteuerungen wichtig ist. Eine genaue zeitliche Festlegung, was »Echtzeit« bedeutet, gibt es nicht. Je nach Anwendung kann die Zeitspanne differieren. Jedoch gilt: Systeme sollten ohne spürbare Verzögerung arbeiten.

Das Internet der Dinge (Internet of Things) beschreibt die zunehmende Vernetzung von Geräten, Sensoren, Maschinen über das Internet. Der Computer als eigenständiges Gerät verschwindet dabei zusehends und wird durch intelligente Gegenstände ersetzt.

Machine-to-Machine (M2M) steht für den automatisierten Informationsaustausch (meist via Internet) zwischen Maschinen, Automaten und Fahrzeugen untereinander oder mit einer zentralen Leitstelle.

Als Car-to-Car Communication (Car2Car oder C2C) gilt der Austausch von Informationen und Daten zwischen Fahrzeugen, um dem Fahrer frühzeitig kritische Situationen zu melden. Dadurch können Unfälle vermieden werden und der Verkehr flüssiger laufen.

Wenn ein Auto mit seiner Umgebung oder Infrastrukturen, etwa intelligenten Verkehrsleitsystemen, kommuniziert, spricht man von Car2X.

Dabei werden die Mobilfunk-Basisstationen durch Einschubmodule ergänzt, die Daten (teilweise) verarbeiten und filtern. Effekt: Die Kommunikation muss nicht durch das gesamte Netz geleitet werden, sondern kann lokal innerhalb der jeweiligen Funkzelle stattfinden. So werden Signallaufzeiten drastisch verkürzt.

Bezeichnet die Anbindung eines vorgelagerten, untergeordneten Netzknotens.