5G and Beyond

Mit der Etablierung von 5G werden Satelliten zum ersten Mal konsequent als integraler Bestandteil der Kommunikationsinfrastruktur berücksichtigt. Terrestrische und satellitenbasierte Systeme verschmelzen zu hybriden Netzen. Diese sollen dabei helfen, die globale Abdeckung auszubauen und den Mobilfunk auch unter erschwerten Bedingungen aufrechtzuerhalten. Eine Option besteht darin, terrestrische Basisstationen über Satelliten an das Mobilfunk-Kernnetz anzubinden (Backhauling). Ein anderer Weg der intelligenten Vernetzung ist 5G Direct Access. Hierbei können 5G-fähige Smartphones oder Fahrzeuge direkt mit Satelliten in Kontakt treten. Mit neuen On-Board-Prozessoren – wie dem Fraunhofer On-Board-Prozessor (FOBP) – lassen sich Satelliten sogar so konfigurieren, dass sie die Funktion einer 5G-Mobilfunkbasisstation übernehmen und abgelegene Regionen, Flugzeuge und Schiffe mit Breitbandinternet versorgen.

Um die Integration von Satelliten in die 5G-Generation voranzutreiben, haben wir einen Simulator für Non-Terrestrial Networks entwickelt. Mit diesem können Hersteller und Betreiber von Satelliten die Flugbahnen, die in hybriden Netzen zu erwarten sind, virtuell reproduzieren und damit die erwartbare Performance vorhersagen. Zu den Prognose-Parametern gehören etwa die abgedeckte Fläche oder der maximale Durchsatz. Sollen Anwendungen hingegen frühzeitig und direkt im Feld erprobt werden, kommt unsere Demonstrationsplattform zum Einsatz, die sowohl für GEO- als auch für LEO-Satellitenübertragungstests geeignet ist.

Je mehr neuartige Anwendungsfälle durch 5G entstehen, umso massiver werden die Datenmengen, die dabei übertragen, verarbeitet und gespeichert werden müssen. Auch wenn die Energieeffizienz mit 5G im Vergleich zu den vorherigen Mobilfunkgenerationen bereits deutlich verbessert werden konnte, vergrößern insbesondere Basisstationen mit ihrem hohen Stromverbrauch den CO₂-Fußabdruck. Hinzu kommen stetig steigende Energiekosten. Für Netzbetreiber besteht somit neben dem Wunsch nach mehr Nachhaltigkeit auch ein finanzieller Anreiz, neue Konzepte zu entwickeln, die einen energieeffizienten und ressourcenschonenden Betrieb von Mobilfunknetzen ermöglichen. So können zum Beispiel Basisstationen in einen jeweils optimal angepassten »Schlafmodus« versetzt werden, sobald diese aufgrund einer geringen Anzahl an 5G-Nutzern (zum Beispiel in der Nacht) nicht ausgelastet sind.

Wir wollen die Netzbetreiber auf ihrem Weg zum klimaneutralen Mobilfunk unterstützen. Deshalb beraten wir Unternehmen auf Basis unserer aktiven Standardisierungsarbeit bei der Optimierung ihrer Konzepte. Zusätzlich entwickeln wir ein Tool für Network Energy Savings, mit dem die neuesten zur Energieeinsparung entworfenen Methoden und Maßnahmen simuliert werden können. So lässt sich detailliert untersuchen, ob die gewünschten Effizienzeffekte tatsächlich erzielt werden. Für den Einsatz in realen Mobilfunknetzen arbeiten wir wiederum am Projekt »5G-ECONET«.

Mit 5G findet der Mobilfunk auch seinen Weg in die Produktionshallen. Beispiele hierfür sind die echtzeitfähige Steuerung von Robotern oder die exakte Positionsbestimmung von Waren. Denn mit der Digitalisierung verändert sich die industrielle Produktion, die flexibler und nahezu selbstorganisierend wird. Autonome Objekte, drahtlose Kommunikation und Echtzeitsensorik führen zu neuen Formen der dezentralen Steuerung und Ad-hoc-Gestaltung von Prozessen. 5G-Technologien bieten hier mit ihrer hohen Bandbreite und geringen Latenz eine optimale Lösung, die den Anforderungen der Industriekommunikation gewachsen ist und dadurch deren Leistungsfähigkeit deutlich steigern kann. Der Mobilfunk wird zudem zum Weichensteller für das »Industrial Metaverse«, das Produktionshallen in virtuell-immersive Welten verlagert, um industrielle Abläufe zu optimieren. Hierfür ist die drahtlose 5G-Konnektivität unerlässlich, da vielfältige Interaktionen und Interdependenzen zwischen Menschen und Maschinen in Echtzeit reproduziert werden müssen.

In unserem Testbed »Industrie 4.0« haben Firmen die Chance, ihre Anwendungen unter realitätsnahen und kontrollierten Bedingungen auf den Prüfstand zu stellen. Der Einsatz von industriellen 5G-Features kann auf diese Weise gewissenhaft vorbereitet werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass wir unser Testbed mit Open-RAN-Equipment ausgestattet haben. Dementsprechend sind Unternehmen nicht mehr auf einen einzelnen Provider angewiesen, sondern können ihr Equipment diversifizieren und an individuelle Kontextfaktoren anpassen. Und für Betriebe, die nicht nach Nürnberg kommen, sondern die 5G-Testinfrastruktur zu sich holen möchten, haben wir noch eine weitere Lösung: unser mobiles Campusnetz, mit dem ein lokales und maßgeschneidertes 5G-Netz direkt vor Ort ausprobiert werden kann.

Damit die vernetzte Mobilität zur Realität wird, reicht es nicht aus, dass Fahrzeuge ihre Daten nur über verfügbare Basisstationen senden. Vielmehr muss sich das Fahrzeug zu einer fahrenden Kommunikationszentrale weiterentwickeln, die auch an Orten ohne Mobilfunkabdeckung direkt mit anderen Verkehrselementen in Kontakt treten kann. So kommunizieren Fahrzeuge untereinander (Vehicle-to-Vehicle), um sich zum Beispiel gegenseitig vor Gefahrenstellen zu warnen, mit der Straßeninfrastruktur (Vehicle-to-Everything – V2X), die aktuelle Geschwindigkeitsbeschränkungen bekannt gibt, oder mit dem Internet, das die Stausituation entlang der weiteren Route meldet.

Hier bietet sich die Verwendung von Sidelink für die direkte Fahrzeugkommunikation an. Hersteller von Automobilanwendungen, On-Board-Units oder Fahrzeugelektronik stehen jedoch vor dem Problem, ihre Produkte testen zu müssen, obwohl noch keine Sidelink-fähigen Endgeräte in Fahrzeugen verfügbar sind. Deshalb haben wir unsere C-V2XSim entwickelt, die es erlaubt, Straßenverkehr inklusive Fahrzeugbewegungen virtuell nachzubilden, Basisstationen in spezifischen Gebieten zu verteilen und schließlich die Kommunikationspotenziale der einzelnen Elemente zu simulieren. Einen Schritt weiter geht unsere Demonstrationsplattform für Sidelink. Hier können die entsprechenden 5G-Anwendungen einer Prüfung unter realistischen Bedingungen unterzogen werden.