Internet - schnell wie ein Fingerdruck

Experten-Interview zum Thema taktiles Internet

Das taktile Internet stellt den nächsten Innovationssprung dar, damit Menschen, Maschinen und Systeme effizienter interagieren können. Kennzeichen sind minimale Reaktionszeiten auch bei riesigem Datendurchsatz, höchste Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Die Fraunhofer-Institutsleiter Professor Albert Heuberger (Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS), Professor Manfred Hauswirth (Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme FOKUS) und Professor Thomas Wiegand (Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI) erklären das Netz der Zukunft. 

Professor Thomas Wiegand
© Fraunhofer HHI
Professor Thomas Wiegand, Institutsleiter Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik Heinrich-Hertz-Institut HHI
Professor Albert Heuberger
© glasgow fotografie/Fraunhofer IIS
Professor Albert Heuberger, Institutsleiter Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
Professor Manfred Hauswirth
© Matthias Heyde/Fraunhofer FOKUS
Professor Manfred Hauswirth, Institutsleiter Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme FOKUS

Professor Wiegand, entscheidend zum taktilen Internet soll der künftige Übertragungsstandard 5G beitragen. Was ist der Unterschied zu LTE?

Thomas Wiegand: Für die nächste Generation des Mobilfunks ist geplant, bis zu 1000-mal mehr Datendurchsatz als 4G zu ermöglichen und Spitzenübertragungsraten von mehr als zehn Gigabit pro Sekunde zu bieten. Doch Datendurchsatz ist bei der Mobilkommunikation der Zukunft nicht alles. Wenn wir nicht nur Informationen zwischen Menschen übertragen wollen, sondern auch zwischen Dingen, Maschinen oder Fahrzeugen, ist eine ultraschnelle Reaktion mit einer Verzögerung von weniger als einer Millisekunde sehr wichtig. Gleichzeitig müssen die künftigen Mobilfunknetze verlässliche Verbindungen ermöglichen und eine deutlich energieeffizientere Datenübertragung gewährleisten. Das alles ist für 5G geplant. In internationalen Forschungsprojekten arbeiten wir gemeinsam mit Experten aus der ganzen Welt daran, die Netze der Zukunft so zu entwerfen, dass eine Vielzahl von drahtlosen Geräten mit kleiner Sendeleistung und hohen Latenzanforderungen zeitgleich auf die Mobilfunkkanäle zugreifen kann. Mit diesem Standard wird eine wichtige Voraussetzung zur Umsetzung des Internets der Dinge und damit der Digitalisierung geschaffen. Grundlegende Voraussetzung für eine erfolgreiche Digitalisierung ist zudem der Festnetzausbau mit Glasfaserkabeln. Auch bei der dafür notwendigen Entwicklung von photonischen Komponenten und Netzwerken ist das HHI weltweit aktiv.

Professor Heuberger, wie soll eine sichere und fehlerfreie Signalübermittlung unter einer Millisekunde sichergestellt werden?

Albert Heuberger: Ein Datenpaket durchläuft bei der Übertragung vom Sender zum Empfänger unterschiedliche Protokollschichten, sogenannte Layer, die bei der Verarbeitung Latenzen im Übertragungssystem verursachen. Um diese zu optimieren, müssen Beschleunigungsmaßnahmen in allen Protokollschichten bzw. über sie hinweg kombiniert werden. Bei der Signalübertragung über die Luft lassen sich die Parameter Fehlertoleranz, Latenz und Breite des benutzten Frequenzspektrums nicht unabhängig voneinander verbessern. Am Fraunhofer IIS entwickeln wir extrem robuste Übertragungsverfahren mit einer geringen Ende-zu-Ende-Latenz. Unser ambitioniertes Ziel ist es, eine Latenz von 125 Mikrosekunden zu erreichen, wobei von einer Milliarde Datenpaketen höchstens eines fehlerhaft sein darf. Diese Zuverlässigkeit ist Voraussetzung für viele Industrie-4.0-Anwendungen, wie wir sie gemeinsam mit Fraunhofer-Kollegen von ESK, FOKUS, HHI und IPA vorantreiben.

Bei zunehmender Vernetzung von Einzelgeräten, wie sie infolge von Industrie- 4.0 eintritt, steigt die zu verarbeitende Datenmenge rasant an. Gleichzeitig soll die Übertragung schneller und energieeffizienter werden. Welche Lösungen kann es geben?

Albert Heuberger: Durch die Nutzung von sehr großen Bandbreiten im hohen Gigahertz-Bereich
und durch den Einsatz von Mehr-Antennen- Systemen wird ein Datendurchsatz erreicht, der mindestens um das Zehnfache über dem heute Bekannten liegt. Bei der Energieeffizienz pro übertragenem Informationsbit haben wir uns schon jetzt dem theoretischen Optimum genähert. Für weitere Verbesserungen bei Durchsatz und Energieverbrauch sind neue Niedrig-Energie-Schaltungstechniken und neue Netzstrukturen nötig. Entwicklungsbedarf besteht vor allem bei der Robustheit der Übertragung und für energie-autarke Netzknoten. Prognosen zum Internet der Dinge besagen, dass allein für die Zahl von Netzknoten mehr Daten entstehen, als von den Netzen weitertransportiert werden können. Dies kann nur über die Vorverarbeitung der anfallenden Rohdaten direkt vor Ort durch sogenannte Edge-Cloud-Verfahren, quasi an den Rändern des Netzes, bewältigt werden.

Professor Hauswirth, es wird künftig nicht mehr nur feste und mobile Breitbandnetze geben, sondern eher ein intelligentes Kern-Netz, das sich mit Virtualisierungstechniken dynamisch programmiert. Wie können wir uns das vorstellen?

Manfred Hauswirth: Das heutige Internet wird sich tiefgreifend verändern, da es künftigen Anforderungen zum Beispiel an Geschwindigkeit oder Sicherheit nicht mehr gerecht wird. Das Netz wird sich diversifizieren und dynamisieren: Funktionalität wird agil im Netz verteilt und dort abgerufen, wo man sie benötigt – nahe an der Anwendung. Diese dynamische Gestaltung des Kern-Netzes leistet eine spezielle Software, man spricht deshalb von einem Software Defined Network (SDN). Dies erlaubt eine Virtualisierung von Netz- und Dienstplattformen sowie deren dynamische Komposition für anwendungsspezifische Netzwerk-Scheiben.

Welche Netzwerkinfrastrukturen und -architekturen müssen bis dahin entwickelt werden?

Manfred Hauswirth: Mit zunehmender Digitalisierung entstehen immer mehr Daten, die im Netz gespeichert werden, etwa durch Sensoren an Maschinen oder Messgeräten. In bisherigen Netzwerkinfrastrukturen wandern die Daten sehr oft über das Internet und werden in einer Cloud analysiert, möglicherweise auf einem Server am anderen Ende der Welt. Das Ergebnis wird dann an den Absender zurückgeschickt, um beispielsweise eine Maschine zu steuern. Das ist nicht sinnvoll – insbesondere dann nicht, wenn es um Daten geht, die in Echtzeit verarbeitet werden müssen oder sicherheitskritische Anwendungen steuern. Mittels SDN werden die Daten bedarfsgerecht an dem Ort und zu der Zeit ausgewertet, wo und wann sie benötigt werden. Dies wird als Mobile Edge Computing bezeichnet. Eine Anwendung wäre eine Fahrt in einem Hochgeschwindigkeitszug mit 500 km/h, in dem ich auf meinem Tablet ein Video anschauen möchte – möglichst ruckelfrei. Für das Video- Streaming muss der Zugang zum 5G-Netz mit der Geschwindigkeit des Zuges mithalten können.

Professor Heuberger, neben Geschwindigkeit soll sich das taktile Internet auch durch Zuverlässigkeit und ständige Verfügbarkeit auszeichnen. Wie wird das gewährleistet?

Albert Heuberger: Die Zuverlässigkeit der Übertragung wird durch nachrichtentechnische Verfahren wie Redundanz, Fehlerschutzverfahren oder Diversität sichergestellt. Diese können in der Regel nicht gleichzeitig mit niedriger Latenz und geringer Bandbreite optimiert werden. Daher entwickelt das Fraunhofer IIS optimierte Übertragungsverfahren für unterschiedliche Anwendungsszenarien, zum Beispiel für Regelungssysteme in der Industrie. Mit Partnern aus Forschung und Industrie entwickeln wir am IIS zudem Qualifizierungsverfahren für industrielle Funksysteme im Kontext des taktilen Internets.

Professor Wiegand, wie engagiert sich Fraunhofer, um beim Standardisierungsprozess von 5G vorne mit dabei zu sein?

Thomas Wiegand: Wir leisten aktive Beiträge im Kooperationsprojekt für die Standardisierung des Mobilfunks 3GPP, bei dem auch die Luftschnittstelle für 5G standardisiert wird. Ein gutes Beispiel für unsere Vernetzung in diesem Kontext ist das kürzlich als »exzellent« bewertete EUProjekt 5GNOW. Wir konnten zeigen, dass neu entwickelte Wellenformen im Mobilfunk die erforderliche Robustheit und Latenz bieten, um einen effizienten funkgestützten Zugang für das Internet der Dinge und das taktile Internet zu ermöglichen. In der Zusammenarbeit zwischen Industrie und Forschung kommt es darauf an, gute Ergebnisse für zukunftsfähige Netze zu erarbeiten, um so Milliarden von Geräten sowie Sensoren und Industrieanwendungen miteinander zu vernetzen.

Professor Hauswirth, welche dringenden Anwendungen für Gesellschaft und Industrie ermöglicht das taktile Internet?

Manfred Hauswirth: Beim Internet der Dinge etwa geht es um pass- und zeitgenaue Fertigung. Mithilfe von Software Defined Networks soll es in Zukunft möglich sein, zum Beispiel einen Roboterpark dynamisch so zu steuern, dass individualisierte Produkte hergestellt werden können. Notwendig ist das taktile Internet auch für gesellschaftliche Herausforderungen, etwa, damit wir auch in Zukunft möglichst vielen Menschen beste und bezahlbare Gesundheits-Dienstleistungen bieten können. So sind bei robotergestützten Operationen Latenzzeiten von rund einer Millisekunde gefordert. Nicht zuletzt müssen dynamische Netzwerkinfrastrukturen künftig dem Tempo und den Datenmengen des automatisierten Fahrens standhalten. In Gefahrensituationen sind Reaktionen und Warnungen in Echtzeit nötig. Dies bedeutet auch, dass unterschiedliche Lastprofile und Anforderungen »intelligent« im Internet koexistieren können müssen: Ein Download darf eine sicherheitskritische Anwendung nicht gefährden.

Professor Wiegand, weshalb ist es entscheidend, dass sich Deutschland im Wettbewerb um das taktile Internet behauptet?

Thomas Wiegand: Japan hat sich beispielsweise das Ziel gesetzt, 5G direkt nach dessen Fertigstellung zu den Olympischen Spielen in Tokio im Jahr 2020 einzuführen und damit die Voraussetzung für die Digitalisierung der Infrastruktur zu liefern. Wenn wir es schaffen, 5G in Europa, beispielsweise zuerst in Berlin, auszurollen, hätten wir schon einen großen Schritt gemacht. 5G wird wettbewerbsentscheidende Entwicklungen im Internet der Dinge wie erhöhte Sicherheit durch Car2X-Kommunikation erst möglich machen. Solche vernetzten cyberphysischen Systeme sind die Zukunft der wirtschaftlichen Entwicklung, von der Experten signifikante Effizienzgewinne erwarten. Deshalb müssen wir dafür sorgen, dass die Infrastruktur dafür auch bei uns zeitnah geschaffen wird, um weltweit vorne mitspielen zu können. 

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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.