5G Technologien

Aufgabe des Transferzentrums »5G Technologien« ist es, Ergebnisse aus laufender 5G Forschung mit Partnern in die experimentelle Erprobung zu bringen, um damit einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung und Standardisierung von Mobilfunknetzen der 5. Generation zu leisten.

Das Transferzentrums »5G Technologien« wird damit zu einem wichtigen Anlaufpunkt für nationale und internationale Forschungsprojekte, Vorstudien zur Produktentwicklung sowie Testcenter für Produkttests für die 5. Mobilfunkgeneration.

Bereits heute ist das 5G Transferzentrum ein fester Bestandteil in internationalen Projekten im Rahmen H2020-5GPPP, z. B. Millimeter-MagicFantastic-5G5G-Crosshaul, Carisma, sowie in EU-Asien Projekten MiWEBA, STRAUSS, 5G-MiEdge, 5G-Pagoda(EU-Japan) und 5G-CHAMPION (EU-Korea).

Somit kann das 5G Transferzentrum auf eine solide Basis von 5G-ready-Infrastruktur (5G-Berlin) und eine Vielzahl von 5G-Forschungsprojekten zurückgreifen, um die angestrebten Transferleistungen mit Partnern in die reale Welt zu erbringen.

Datentransport mit Höchstgeschwindigkeit für die Anwendungen der Zukunft

 

Das Transferzentrum »5G Technologien« bietet eine Plattform für den frühen Zugriff auf Forschungsergebnisse rund um die fünfte Generation mobiler Funknetze. Es kombiniert die Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten nationaler und internationaler Forschungsvorhaben. Industriekunden können auf die bereitgestellte Infrastruktur zugreifen, um ihre Produkt- und Serviceentwicklungen zu vervollständigen. Die von dem 5G Transferzentrum bereitgestellten Leistungen bestehen aus Trainingskursen für spezifische technische 5G-Themen, Zugriff auf und Support für die Infrastruktur sowie aus kunden- und anwendungszentrierten Workshops.

5G-Funkkommunikation

5G, die nächste Mobilfunkgeneration, wird mobile Datenkommunikation in neuen Bereichen ermöglichen und als eine Kommunikationsplattform der Digitalen Transformation dienen. 5G wird damit zum Türöffner für neue Möglichkeiten und Anwendungsfälle, von denen viele bis heute noch unbekannt sind. Bisherige Mobilfunkstandards ermöglichen die Konnektivität von Mobiltelefonen und insbesondere Smartphones, welche durch 5G eine noch höhere Datenrate erreichen werden. Neben der Vernetzung von Menschen wird 5G zudem die Vernetzung von intelligenten Objekten ermöglichen, wie zum Beispiel Autos oder Industrierobotern. Dabei ergeben sich für viele Anwendungsfälle spezielle Anforderungen an das Kommunikationsnetz in Bezug auf Datenrate, Zuverlässigkeit, Energieverbrauch und Latenz. Diese Diversität an Anwendungen und die entsprechenden Anforderungen erfordern ein skalierbares und flexibles Kommunikationsnetz sowie die Integration unterschiedlicher, zum Teil auch sehr heterogener Kommunikationslösungen. Im Transferzentrum wird daher an den Schlüsseltechnologien Mehrantennen-Übertragung und Millimeterwellen-Technologie geforscht.

Unter Massive MIMO versteht man die deutliche Steigerung der Anzahl aktiver Antennenelemente an der Basisstation, so dass Datenraten deutlich über 1 GBit/s erreicht werden. Dies erfordert wesentliche Änderungen gegenüber dem bisherigen Standard, um einen kosteneffizienten Betrieb zu gewährleisten. Die Verwendung des Spektrums oberhalb von 6 GHz, die so genannten Millimeterwellen, erfordert neuartige Technologien und Lösungen für Transceiver-Chips, AntennenDesign und Signalverarbeitung, um Komponenten energie- und kosteneffizient und massenmarkttauglich zu entwickeln. Neben den Herausforderungen im Bereich der Technologieentwicklung ist das tiefe Verständnis des Ausbreitungsverhaltens der Funkwellen bei hohen Frequenzen wesentlich für ein nachhaltiges Systemdesign. Fraunhofer trägt mit einer Vielzahl von Funkfeldmessungen zum tieferen Verständnis der Wellenausbereitung für relevante Indoor- und Outdoor-Szenarien bei und liefert Kanalmodellierungsbeiträge in der 3GPP-Standardisierung.

Optische 5G-Kommunikation

Eine logische Erweiterung für 5G stellt die Nutzung von Trägerfrequenzen im Terahertz-Bereich dar, in dem sich die elektromagnetischen Wellen entweder sichtbar in Form von Licht oder im infraroten Wellenlängenbereich ausbreiten. Für die Erweiterung der 5G-Infrastruktur ist die Nutzung von LED-Beleuchtungselementen zur Informationsübertragung und Navigation sehr attraktiv, beispielsweise für Decken- oder Stehlampen im Indoor- sowie für Fahrzeugscheinwerfer, Straßenlaternen und Ampeln im Outdoor-Bereich. Die Kommunikation mit Licht, englisch »Optical Wireless Communication – OWC«, gilt als sicher, da sich die Information nur innerhalb von räumlich sehr begrenzten Lichtspots empfangen lässt. Der Durchmesser dieser Lichtspots kann durch die Wahl geeigneter Optiken, zum Beispiel preiswerte Plastiklinsen, in der Größe variiert werden, was die Anpassung an unterschiedliche Anwendungsszenarien ermöglicht. Durch die Realisierung von geeigneten Handover-Mechanismen zwischen mehreren optischen Spots und auch zu benachbarten Funkzellen kann eine mobile Kommunikation in der Fläche erreicht werden. Darüber hinaus bietet Licht eine hohe Robustheit gegenüber elektromagnetischer Störstrahlung und kann mit den gegenwärtigen 5G-Frequenzbereichen interferenzfrei genutzt werden.

Ein weiterer Vorteil der OWC-Technologie ist die interferenzfreie Implementierung in Umgebungen mit vorhandenen Funksystemen. Dies führt auch zu einer besseren Datensicherheit und somit zu interessanten Industrie-4.0-Anwendungen, welche nicht nur in der Fraunhofer HHI-Laborumgebung, sondern auch unter reellen Produktionsbedingungen getestet werden.

Im Bereich der 5G-Mikrozellen-Installation ermöglichen OWC-Links ebenfalls robuste und schnelle Datenverbindungen. Insbesondere hybride funkoptische Links zeigen hohe Datenraten und komplementäre Eigenschaften bei schlechten Wetterbedingungen.

Technologien für Kernnetze

Die PolyBoard-Technologieplattform des Fraunhofer HHI stellt einen hybrid-optischen »Baukasten« dar, mit dem optische Basiselemente zu komplexen und äußerst kompakten Funktionskomponenten integriert werden können, für Anwendungen im Bereich Telecom/Datacom, Sensorik und Analytik. Elemente der Plattform sind Wellenleiter, Mikrooptiken, Dünnfilmelemente sowie optisch aktive Komponenten wie Laser- und Fotodioden.

Im Teilprojekt »SAVE – Photonics Enhanced Data Center« des Leistungszentrums »Digitale Vernetzung« werden abhörsichere ­optische Verbindungen untersucht und Komponenten entwickelt, die es gestatten, Abhörversuche zu detektieren, ohne dass der Netzbetreiber seine Netzwerkstruktur ändern muss. Schlüsselelement ist ein Multiplexer zum verlustlosen Ein- und Auskoppeln von Prüfsignalen. Zur Abhörverhinderung wird ein optisches Interface entwickelt, das den Übergang von einer übertragungssicheren Multikernfaser (3D) in die Welt der planaren Wellenleiteroptik (2D) realisiert.

Videodatenverarbeitung/HMI

Die Abteilung »Computer Vision und Visualisierung« des Fraunhofer HHI ist mit ihrer Kompetenz in den Bereichen Echtzeit-3D-Videoanalyse und berührungslose Interaktion im Teilprojekt »ProEnv – Intelligente und smarte Produktionsumgebung« involviert. Basierend auf dem Aufbau eines Multi-Kamera-Systems wird die 3D-Erfassung eines Werkstückes und eines Roboters umgesetzt. Die resultierende 3D-Information wird dann anderen Modulen des Demonstratorsys­tems zur Verfügung gestellt, um zum Beispiel in einer VR-Umgebung die aktuelle Situation in einer Roboterzelle zu visualisieren. Des Weiteren wird eine berührungslose Gestensteuerung für die Interaktion mit einem Digitalen Zwilling ebenfalls in einem VR-Szenario implementiert. Die berührungslose Gesteninteraktion wird zudem in der Roboterzelle eingesetzt, um dem Werker mit einfachen Gesten die intuitive Interaktion mit dem Roboter zu ermöglichen.

Real Time Data Hub

Smarte Städte werden in Zukunft deutlich stärker als heute Sensoren und IT-gesteuerte Aktoren einsetzen, um beispielsweise Verkehrsfluss und Umweltdaten zu überwachen und gegebenenfalls steuernd einzugreifen. Dabei entsteht eine große Datenmenge, die zu aggregieren und auszuwerten ist. Um diesen sehr heterogenen Herausforderungen zu begegnen, wurde eine Plattform entwickelt.

i-Wireless

iWireless steht für Industrial Wireless und Edge Clouds für die Steuerung und Überwachung von Prozessen und Anlagen. Dazu wird ein ganzheitlicher Ansatz zur Einbringung von drahtlos angebundenen Sensoren und Aktoren in Maschinen, Werkzeugen und Werkstücken sowie zur Anbindung und Vernetzung der von diesen generierten Daten an Cloud-Infrastrukturen mittels mobiler Funk-, optischer 
Kommunikationstechnologien und Semantik verfolgt.

Smart Streets

Mobile Endgeräte, »Wearables« von Passanten, vernetzte Autos, autonome Fahrzeuge, Lieferroboter, Drohnen, digitale Anzeigetafel bis zum sensorüberwachten Müllereimern - die Straße der Zukunft muss selbst intelligent und vernetzt werden und benötigt eine durchgehende Internet of Things (IoT) Infrastruktur mit jeweils zur Datenkommunikation passenden Übertragungsstandards und innovativen IoT Sensoren und Diensten zur Gewährleistung der Sicherheit und des Komforts aller vernetzten Verkehrsteilnehmer. 

HIRATE

Das eigens entwickelte High Performance Digital Radio-Testbed (HIRATE) steht innerhalb des 5G-Testbeds zur Verfügung, um Channelsounding und Datenaufzeichnung zu unterstützen.

Millimeter-Wave Point-to-Point Backhaul Links

Die Bereitstellung kleiner Zellen mit Konnektivität zu dem Kernnetzwerk zu moderaten CAPEX- und OPEX-Kosten ist entscheidend für deren erfolgreichen umfassenden Einsatz. Das Wireless-Backhaul im Millimeterwellenbereich ist ein wichtiges Element bei der Lösung dieser Probleme.

Circular Massive MIMO Array

Um städtische Mikrozellen-Netzwerkumgebungen mit geringen Höhen von Basisstationen realistisch modellieren zu können, sind genaue Kenntnisse des räumlichen Ausbreitungsverhaltens notwendig.

Synchronisierungseinheit

Synchronisierung und ortsgetrennte stabile Frequenzreferenzen sind für Feldversuche äußerst wichtig.

RTK-Positionierung

Bei der Durchführung von Feldversuchen und Kanalmessungen ist die Kenntnis der genauen Position entscheidend, um die aufgezeichneten Daten optimal verwerten zu können.