Technologien für 5G

5G – mehr als Mobilfunk

Ab 2020 sollen die ersten 5G-Netze für mobile Nutzer verfügbar sein. 5G als Nachfolgestandard von LTE widmet sich nicht nur einer verbesserten Mobilfunk-Zukunft, sondern hat die umfassende und globale Standardisierung drahtloser Kommunikationssysteme zum Ziel. Die Treiber dieses neuen Standards für drahtlose Netzwerke sind Technologietrends wie Industrie 4.0, vernetzte Mobilität und Internet of Things (IoT). Im Mittelpunkt steht die intelligente Vernetzung von Dingen. Sie ermöglicht die Kommunikation zwischen Objekten und deren automatisierte Steuerung.

Als anwendungsorientierte Forschungseinrichtung gestalten wir die vernetzte Zukunft schon heute mit und entwickelt 5G-Technologien, die sowohl den Anforderungen des Mobilfunks als auch denen der modernen Industrie- und Fahrzeugkommunikation gerecht werden.

Die technischen Herausforderungen

Ultrakurze Latenzzeiten von unter einer Millisekunde, Spitzenübertragungsraten von 10 Gbit/s oder höher, weltweit verfügbare, robuste Funkverbindungen bei drastisch geringerem Stromverbrauch kombiniert mit der Möglichkeit, die Position der Objekte zu bestimmen: Das sind die Anforderungen an den neuen 5G-Standard.

Je nach Anwendung variiert das Anforderungsprofil an die drahtlosen Datenverbindungen: In der Industrieautomatisierung und im Straßenverkehr sind geringe Latenzzeiten und hohe Robustheit entscheidend, während es beispielsweise bei der Übermittlung von Zählerständen eher auf energiesparende Übertragungsverfahren ankommt. Zur Positionsbestimmung der Funkteilnehmer – dazu zählen Smartphone-Nutzer ebenso wie Maschinen, Fahrzeuge oder Sensorknoten – kommen Ortungsverfahren unter direkter Nutzung der übermittelten Mobilfunksignale oder satelliten-, WLAN- beziehungsweise Bluetooth-basierte Ortungssysteme zum Einsatz.

Noch befindet sich das globale Kommunikationsnetz im Entwicklungsstadium, der zukünftige 5G-Standard wird aber einen Pool an Lösungen bereithalten, mit denen sich die verschiedenen Anforderungen adressieren lassen.

5G-Technologien für verschiedene Anwendungsbereiche

5G erfordert völlig neue Übertragungs- und Netzkonzepte, an deren Entwicklung auch das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS maßgeblich beteiligt ist. Das Fraunhofer IIS nutzt dabei sein umfassendes Know-how im Bereich der drahtlosen Kommunikation und Lokalisierung, um den Herausforderungen mit kundenindividuellen und maßgeschneiderten Lösungen zu begegnen und diese für vielfältige Anwendungsbereiche nutzbar zu machen.

Mobile Breitbandkommunikation

Damit die Daten vom Kernnetz zur Basisstation und dann weiter von der Basisstation zu den Antenneneinheiten (Remote Radio Heads) gelangen, benötigen die Mobilfunknetze sehr breitbandige Backhaul- und Fronthaul-Verbindungen. Das Fraunhofer IIS bietet hier eine Basisbandlösung für Übertragungsraten von 10 Gbit/s mit einer HF-Bandbreite von 2 GHz, die speziell für den Einsatz im Millimeterwellenbereich bei 70/80 GHz (E-Band) konzipiert wurde.

Durch neuartige Konzepte zur Datenübertragung wird 5G auch für die private Mediennutzung Vorteile bringen. So sorgen zukünftig mm-Wellen-Relaisnetzwerke für einen verbesserten Mobilfunkempfang in Gebäuden und Fahrzeugen. Fraunhofer IIS hat dafür SUDAS entwickelt – ein Konzept für verteilt installierte Relaisknoten, die als virtuelles Mehrantennensystem dienen und damit die verfügbare Indoor-Datenrate erhöhen. Mit dem LTE-Broadcast-Modus eMBMS lassen sich wiederum (Live‑)Videos, Software-Updates oder cachebare Multimedia-Dateien per Rundfunk effizient an viele Benutzer gleichzeitig übermitteln. Diese Art der Verbreitung von Inhalten entlastet die Mobilfunknetze und hält Kapazitäten für andere Anwendungen frei. Deshalb entwickelt das Fraunhofer IIS auch die technischen Voraussetzungen für die Integration von Mobilfunk und Rundfunk im Rahmen von 5G weiter.

Zudem arbeitet das Fraunhofer IIS an Ortungsverfahren, die höchste Zuverlässigkeits- und Genauigkeitsanforderungen erfüllen, damit beispielsweise die Absender eines Notrufs geortet und so frühestmöglich erreicht werden können. Darüber hinaus lassen sich hochpräzise Ortsinformationen nutzen, um Abläufe im Mobilfunknetz zu verbessern. Handover-Verfahren können zum Beispiel in den neuen, stark heterogenen Zellstrukturen so gestaltet werden, dass sich die Nutzer auch bei hohen Geschwindigkeiten im Auto oder Zug über verschiedenen Funkzellen hinwegbewegen können, ohne Verbindungsabbrüche hinnehmen zu müssen.

Industrie 4.0

Mit der Digitalisierung der Industrie ändert sich auch die industrielle Produktion, die durch die Verknüpfung von Industrie- und Kommunikationstechnologien flexibler und nahezu selbstorganisierend wird. Denn autonome Objekte, drahtlose Kommunikation und Echtzeitsensorik erlauben neue Formen der dezentralen Steuerung und Ad-hoc-Gestaltung von Prozessen. Um Regelungsschleifen auch für sehr schnelle Produktionsschritte und verteilt über mehrere Geräte betreiben zu können, sind Verfahren nötig, die Daten verzögerungsfrei und äußerst zuverlässig übertragen (Critical IoT). Das Fraunhofer IIS entwickelt in verschiedenen Projekten Verfahren, bei denen eine Latenz von unter einer Millisekunde angestrebt wird, um die Übertragung kompatibel zu gängigen drahtlosen Feldbussen zu gestalten. Diese echtzeitfähigen Kommunikationssysteme ermöglichen so das taktile Internet. Damit die Vision einer autonomen und gleichzeitig transparenten Produktionshalle ein Stück näher rückt, hat das Fraunhofer IIS zudem verschiedene Technologien zur Objektortung in der Hand. Deren intelligente Kombination ermöglicht Anwendungen wie Asset Tracking und Robotik in der Smart Factory.

Neben latenzoptimierten Übertragungstechnologien für das Critical-IoT entwickelt das Fraunhofer IIS auch Lösungen für die Vernetzung von zeitunkritischen IoT-Anwendungen, die wenig Bandbreite, dafür eine Vielzahl an Funkknoten benötigen (Massive IoT). Die Grundidee des IoT, alle Geräte mit dem Internet zu verbinden und dadurch die reale mit der virtuellen Welt zu verknüpfen, erfordert den Einsatz einer Vielzahl von Sensoren und Aktoren. Oft sind die benötigten Datenmengen sehr klein, dafür sollen die Geräte aber viele Jahre ohne Batteriewechsel Daten senden. Für derartige Low Power Wide Area Networks (LPWAN) hat das Fraunhofer IIS das drahtlose IoT-Netzwerk MIOTY mit einem sehr energieeffizienten Übertragungsverfahren entwickelt, das in zukünftigen Telemetrie-Systemen zum Einsatz kommen wird. Und damit jederzeit klar ist, wo sich die zu überwachenden Objekte befinden, hält das Fraunhofer IIS Lokalisierungstechnologien bereit mit denen eingebettete Funkmodule einfach und genau geortet werden können.

Vernetzte Mobilität

Damit die Vision der vernetzten Mobilität Realität wird, müssen sich Autos zu fahrenden Kommunikationszentralen weiterentwickeln. Fahrzeuge kommunizieren untereinander (sogenanntes Car2Car), um sich zum Beispiel gegenseitig vor Gefahrenstellen zu warnen, mit der Straßeninfrastruktur (Car2X), die aktuelle Geschwindigkeitsbeschränkungen bekannt gibt, oder mit dem Internet, das die Stausituation entlang der weiteren Route meldet. Um solche Anwendungen zu ermöglichen, sind funkbasierte Technologien zur hochpräzisen Bestimmung von Ortsinformationen notwendig, die das autonome Fahren wesentlich unterstützen und einen optimalen Verkehrsfluss ermöglichen.

Darüber hinaus betreibt das Fraunhofer IIS Forschung und Entwicklung für die Breitbandversorgung mobiler Nutzer, um Fahrzeuge drahtlos mit hoher Datenrate an die Außenwelt anzubinden, und für Breitband-Bordnetze, um hohe Daten im Fahrzeug weiter zu verteilen. Zudem arbeitet das Fraunhofer IIS an Konzepten und Technologien für die hybride Vernetzung und zur effizienten Verteilung von aktuellen Informationen an viele Nutzer.

Satellitenintegration in 5G

Ein Ziel von 5G ist es, die globale Mobilfunkabdeckung zu verbessern und auszubauen. Das lässt sich durch die Anbindung von Satelliten an das terrestrische Mobilfunknetz (Backhauling) erreichen. Die Satelliten dienen dabei als Verbindungspunkte zwischen den Mobilfunkbasisstationen am Boden. Mobilfunk-Backhauling über Satellit ermöglicht beispielsweise ein DVB-S2X-Modem, das vom Satelliten empfangene Signale verarbeitet, damit sie wieder ins terrestrische Netz eingespeist werden können. Der am Fraunhofer IIS implementierter DVB-S2X-Demodulator erzielt bis zu 1 Gbit/s Nutzdatenrate innerhalb von bis zu 500 MHz Bandbreite. Mit neuen On-Board-Prozessoren – wie dem Fraunhofer On-Board-Prozessor (FOBP) – ausgestattete Satelliten können aber auch so konfiguriert werden, dass sie die Funktion einer 5G-Mobilfunkbasisstation übernehmen und abgelegene Regionen, Flugzeuge und Schiffe mit Breitbandinternet versorgen.

Durch Forschung an weiteren Konzepten und Anpassungen der Funkschnittstelle zwischen Satelliten und terrestrischer Infrastruktur treibt das Fraunhofer IIS die Integration von Satellitenkommunikation in 5G-Netzwerke voran. Die Herausforderungen liegen darin, die langen Funkübertragungsstrecken möglichst verzögerungsfrei zu überwinden und flexible Lösungen zu entwickeln, die an die unterschiedlichen Übertragungskanaleigenschaften der Satelliten anpassbar sind. Das Fraunhofer IIS verfügt über tiefgreifendes Technologie-Knowhow sowohl im Mobilfunk als auch in der Satellitenkommunikation und ist darauf spezialisiert, Ansätze zu erarbeiten und zu verwirklichen, die das Zusammenwachsen terrestrischer und satellitenbasierter Kommunikation zu hybriden Systemen fördern.

Technologien und Testumgebungen für 5G

Indoor mm-Wellen-Relaisnetzwerke für 5G

Verbesserte Abdeckung und Konnektivität im Innenraum durch SUDAS (Shared UE-side Distributed Antenna System)

Positioning in 5G

Hochpräzise Lokalisierungstechnologien