Titelbild 5G Bavaria Testzentrum
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Testzentrum »5G Bavaria«

Vernetzte 5G-Technologien und Anwendungen

Das Testzentrum »5G Bavaria« am Fraunhofer IIS in Erlangen/Nürnberg ist eine zentrale Anlaufstelle für das Testen von 5G-Technologien mittels virtueller Simulation am PC und realitätsnaher Emulation im Labor. Es ermöglicht damit System- und Leistungstests in frühen Stadien der Entwicklung von 5G-Komponenten, Systemen und Anwendungen.

5G Bavaria Logo
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5G virtuell simulieren

Mithilfe anwendungsorientierter Simulationsumgebungen erwachen geplante 5G-Systeme, noch vor den ersten verfügbaren Prototypen, virtuell am PC zum Leben. Damit erhalten Anwender eine kostengünstige und schnelle Möglichkeit, Systemparameter wie Durchsatz, Latenz, Verfügbarkeit und Abdeckung zu validieren oder frühzeitig erste Abschätzungen dafür abzuleiten.

Im Testzentrum »5G Bavaria« sind verschiedene Link-Level- und System-Level-Umgebungen verfügbar, die neben der Konnektivität auch die Lokalisierungsmöglichkeiten von 5G berücksichtigen. Link-Level-Simulationen werden zur Performance-Optimierung der Nachrichtenübertragung auf einer einzelnen Funkübertragungsstrecke verwendet, während System-Level-Simulationen die Gesamtheit simultaner Übertragungen in einem Kommunikationsnetz einbeziehen.

Der Fokus liegt auf Anwendungen in den Bereichen Industriekommunikation (Industrial IoT), Fahrzeugkommunikation (V2X) sowie satellitengestützte Netze (Non-Terrestrial-Networks, NTN).

5G realitätsnah emulieren

Der nächste konsequente Schritt nach der Simulation ist die Emulation im Labor. Hierfür stehen umfangreiche Software-Defined-Radio-(SDR)-Plattformen zur Verfügung, mit denen die Eigenschaften geplanter Systeme und Komponenten echtzeitfähig in Hardware nachgebildet werden können. Im Vergleich zur Simulation können durch Emulation Testszenarien komplexer und produktnäher abgebildet werden. Das Testzentrum ist dabei konsequent auf die Verwendung software-definierter Plattformen ausgerichtet, die jederzeit effizient angepasst und erweitert werden können, sodass kundenspezifische Anforderungen mit wenig Aufwand integrierbar sind. Basierend auf diesen Plattformen wurden bereits Proof-of-Concept-Demonstratoren und Mess-Setups für Narrowband IoT, Lokalisierung, Integration von Satelliten in 5G sowie Low-Latency-Kommunikation geschaffen, die im Testzentrum verfügbar sind. Komplettiert wird das Angebot an Emulationsplattformen durch die Möglichkeit, kundenspezifisches Equipment und Edge-Computing-Algorithmen im Industrie-4.0-Testbed in Nürnberg zu erproben.

Schon während der Konzeptionierung wissen, was funktioniert

Die Besonderheit des 5G-Bavaria-Testzentrums besteht in der engen Verknüpfung mit anwendungsspezifischen Testbeds, in denen Industrie- und Automotive-Testfälle im realen Kontext über die Luftschnittstelle (»over-the-air«) erprobt werden können. Die Nutzung von Testzentrum und Testbeds kann individuell abgestimmt werden. Sämtliche 5G-Bavaria-Angebote können dabei unabhängig voneinander als Elemente eines Baukastensystems genutzt werden.

Das Angebot richtet sich vor allem an Anwender, Technologieausrüster, Netzbetreiber und Endgerätehersteller sowie Forschungseinrichtungen und Universitäten:

Anwendungsentwicklung

Anwender, die 5G-Technologie nutzen wollen, haben im Testzentrum die Möglichkeit, Machbarkeitsstudien, Use-Case-Analysen und Simulationen von Anwendungsszenarien in Auftrag zu geben. Eine Erprobung von bestimmten Netzkonfigurationen und Gerätekombinationen ist im Labor und in den Testbeds möglich.

Netzerprobung

Netzbetreiber profitieren von der einzigartigen Kombination aus Stand-alone-Campusnetz und hervorragend ausgestatteter Testhalle mit aktuellster Indoor-Positionierungstechnologie, Hochregallager, AGVs und vielem mehr. Durch Echtzeit-Emulation mit Software-Defined-Radio-Plattformen, Signalgeneratoren und Kanalemulatoren kann Pre-Release-Technologie in realistischen Szenarien erprobt werden.

Komponententests

Die Möglichkeit der Integration von Funktionsmodulen im Labor oder im Testbed, die offene 5G-NR-RAN-Architektur und ein cloud-native Stand-alone-5G-Kernnetz bieten Endgeräteherstellern erstklassige Bedingungen für die Erprobung und Charakterisierung neuer Produkte in einem geschützten Umfeld.

Ausstattung des 5G-Bavaria-Testzentrums

Icon Simulation

Verfügbare Simulationsumgebungen für verschiedene Anwendungsbereiche

  • Lokalisierung
  • Vehicle-to-Everything (V2X)
  • Non-Terrestrial Networks (NTN)
  • Industrial Internet of Things (IIoT)
Icon Emulation

Verfügbares Equipment in den Emulationslaboren

  • FR1-Prototyping-Plattform für Frequenzen bis 7 GHz
    • OpenAirInterface für LTE und 5G NR
    • Amarisoft zur Emulation von 4G-Endgeräten und 4G/5G-Mobilfunkzellen
  • FR2-Protoyping-Plattform für Millimeterwelle
    • Bis zu 24 Kanäle
    • 400 MHz und 800 MHz Bandbreite
    • Basiert auf Xilinx RFSoC FPGA
  • Hochspezialisierte Test- und Messgeräte für 4G/5G
    • Keysight UXM 5G Wireless-Test-Plattform für gezielte Tests von Endgeräten
    • Keysight F64 Kanalemulator zur Emulation von Kanaleigenschaften (terrestrisch und über Satellit)
    • Anokiwave-Antennen für Millimeterwellen
    • Protokoll-Sniffer Sanjole WJ5000
    • 5G-Endgeräte (z.B. Samsung Galaxy S10 5G, Huawei Mate 20 X 5G)
  • TDOA-Mess-Setup für Lokalisierung
  • Positionsbestimmung mittels Massive MIMO für mm-Wellen
  • Setups für Satellitenintegration in 5G (NTN), IoT (NB-IoT) und geringe Latenz (LTE sTTI)
  • Campuslizenz für die Nutzung des Frequenzbandes von 3,7 bis 3,8 GHz an unseren Standorten Erlangen und Nürnberg

Verfügbarkeit und Nutzung

Erste Simulationsmodule und Testsetups sind bereits verfügbar. Darüber hinaus wird die Palette verfügbarer Simulationsumgebungen und Emulationsszenarien kontinuierlich erweitert. Für bestimmte simulative Basisszenarien wird bis Ende 2020 außerdem ein browser-basierter Zugang möglich sein. Wenn Sie daran interessiert sind, die vorhandenen Simulations- und Emulationsmöglichkeiten am Testzentrum zu nutzen, sprechen Sie uns gerne an. Das Testzentrum steht insbesondere auch für die Nutzung in gemeinsamen Förderprojekten und Kooperationen zur Verfügung.

Im Überblick:
Technologiedemonstrationen aus dem Testzentrum »5G Bavaria«

  • Datenschutz und Datenverarbeitung

    Wir setzen zum Einbinden von Videos den Anbieter YouTube ein. Wie die meisten Websites verwendet YouTube Cookies, um Informationen über die Besucher ihrer Internetseite zu sammeln. Wenn Sie das Video starten, könnte dies Datenverarbeitungsvorgänge auslösen. Darauf haben wir keinen Einfluss. Weitere Informationen über Datenschutz bei YouTube finden Sie in deren Datenschutzerklärung unter: http://www.youtube.com/t/privacy_at_youtube

    Die Software-Plattform bietet Simulationsumgebungen zur Untersuchung von Fragestellungen aus den Bereichen 5G-Mobilkommunikation und Lokalisierung, Fahrzeugkommunikation (V2X), Internet of Things (IoT) und satellitenbasierte/nicht-terrestrische Netzwerke (Non-Terrestrial Networks, NTN). Dafür stehen verschiedene 5G-New-Radio-Module zur Verfügung. Mit dem modularen Softwarebaukasten der Plattform lassen sich für spezifische Aufgabenstellungen angepasste, einfach parametrisierbare Link- und System-Level-Simulationen erstellen. Link-Level-Simulationen werden zur Performance-Optimierung der Nachrichtenübertragung auf einer einzelnen Funkübertragungsstrecke verwendet, während System-Level-Simulationen die Gesamtheit simultaner Übertragungen in einem Kommunikationsnetz beleuchten.

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    Der realisierte Demonstrator verwendet die neue 5G-New-Radio-Wellenform, um – hier beispielhaft – ein Video von einer Basisstation zu einem Endgerät zu übermitteln. Um unter realitätsnahen Bedingungen testen zu können, kommt ein kommerzieller Kanalemulator zum Einsatz, der eine Funkübertragungsstrecke im industriellen Umfeld nachbildet. Im Video ist zu sehen, wie zuverlässig 5G auch unter diesen erschwerten Bedingungen funktioniert. Durch die Verwendung der Software-Defined-Radio-Plattform »OpenAirInterface« können alle erdenklichen Parameter der Übertragung verändert werden. Die Implementierung kann auch komplett angepasst werden, so dass neue Funktionalitäten schon während der Standardisierung getestet werden können.

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    Dieses Modell einer Industrie-4.0-Produktionsstraße beinhaltet eine integrierte Zustandsüberwachung für die zu fertigenden Produkte, aber auch für bewegliche Teile der Produktionsanlage. Dazu werden Temperatur- und Feuchtigkeitswerte in einem 5G-Campusnetz über Narrowband IoT (NB IoT) an ein lokales Embedded-Computing-Gerät gesendet, gespeichert und z.B. mit Hilfe Künstlicher Intelligenz weiterverarbeitet. Über eine OPC-UA-Schnittstelle ist das System in der Lage, mit der Steuerung der Produktionsanlage zu kommunizieren und so mit niedriger Latenz Einfluss auf die aktuelle Fertigung zu nehmen.

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    Sensormodule überwachen Prozess- und Umgebungszustände in Produktion und Logistik. Die Konzeptionierung und Konfiguration von Funksystemen zur Anbindung solcher Module können in der Gesamtkette unter realen Bedingungen getestet und mit alternativen Lösungen verglichen werden. Der Energieverbrauch und damit die Lebensdauer der Module wird unter reproduzierbaren Laborbedingungen analysiert und verglichen, um objektiv eine technisch fundierte Entscheidungshilfe anbieten zu können, welche Technologie geeignet ist.

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    Der realisierte Demonstrator zeigt die Vorteile niedriger Latenzzeiten am Beispiel der Sichtprüfung. Das System, das die verwendeten Kameras auslöst, nutzt zwei verschiedene Übertragungswege in direktem Vergleich: WLAN und LTE sTTI. Die Übertragung mittels LTE sTTI führt zu einer deutlich konstanteren Latenz und damit zu einem viel stabileren Kamerabild. Das zeigt, dass LTE STTI und entsprechende Weiterentwicklungen für 5G URLLC im industriellen Umfeld eingesetzt werden können. Dort macht eine extrem zuverlässige Datenübertragung die Verwendung einer Funkverbindung in zeitsensitiven Anwendungen überhaupt erst ermöglicht. Die technische Besonderheit dieses Demonstrators liegt in der Verwendung der Software-Defined-Radio-Plattform »OpenAirInterface«. Damit ist es möglich, spezielle Features des 5G-Standards zu demonstrieren, bevor diese kommerziell verfügbar sind.

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    Der Demonstrator zeigt die Funktionalität und Leistungsfähigkeit von UWIN (Ultra reliable Wireless Industrial Network), einer 5G-Erweiterungstechnologie zur hochzuverlässigen, verzögerungsfreien Maschinensteuerung im industriellen Umfeld. Als Aktoren fungieren hier zwei Motoren, deren Ansteuerung über eine klassische speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) erfolgt. Das Motoren-Bedienfeld ist über eine UWIN-Funkverbindung mit der Maschinensteuerung verbunden. Parallel werden die gemessene Übertragungszeit sowie die Fehlerrate der Kontrollsignale auf einem Bildschirm veranschaulicht.

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    SUDAS ist eine Infrastruktur aus vielen einfach zu installierenden Relaisknoten (SUDACs), die im Innenraum eines Gebäudes oder Fahrzeugs platziert werden. SUDACs empfangen Signale von Mobilfunk-Basisstationen und leiten sie in einem Millimeterwellenband an mobile Endgeräte innerhalb des Gebäudes oder Fahrzeugs weiter. Jedes Endgerät empfängt dabei die Signale mehrerer SUDACs. Diese fungieren also als verteilte Sende- und Empfangsantennen der Endgeräte und formen somit ein virtuelles MIMO-Netzwerk. Die Kombination von Massive MIMO und mm-Wellen-Technologie ist perfekt geeignet, um hohe Datenraten zu erzielen und zuverlässige Outdoor-Indoor-Konnektivität herzustellen. SUDAS kann so für die zuverlässige drahtlose Vernetzung in der Industrie eingesetzt werden.

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    Im Video wird eine Testplattform zur Untersuchung von breitbandigen 5G-Anwendungen im Millimeterwellenspektrum vorgestellt. Dank der selbst entwickelten FPGA-Firmware kann Forschung, Entwicklung und Test in der physikalischen Schicht des Netzwerks betrieben werden, was mit vielen kommerziell erhältlichen Alternativen nicht möglich ist. Diese Plattform hilft dabei, Übertragungen im Millimeterwellenbereich besser zu verstehen und die Weiterentwicklung bestehender und neuer Verfahren zu beschleunigen.

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    Der Übergang zwischen Innen- und Außenbereichen bringt für die Lokalisierung spezielle Herausforderungen mit sich, weil in solchen Indoor-Outdoor-Szenarien 5G- und Satellitensignale oft mehrfach an Gebäuden und Objekten reflektiert werden. Reflektionen treten zum Beispiel auf großen Industriegeländen oder auch im Bereich hoher Häuserschluchten (Urban Canyon) auf. Am Fraunhofer IIS wurde für solche anspruchsvollen Umgebungen ein Ray-Tracing-Simulator erweitert, der aufgezeichnete Messdaten durch realistische Simulationsdaten ergänzen kann. Er unterstützt damit die Entwicklung sehr robuster und präziser Lokalisierungslösungen. So können unterschiedlichste Signaleffekte mitberücksichtigt werden und für vielfältige Umgebungen gezielt geeignete Verteilungen von Basisstationen untersucht werden.

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    Eine Möglichkeit zur Lokalisierung in 5G-Netzen ist die Nutzung variierender Signalstärken zur exakten Positionsbestimmung. Die Signalstärke nimmt mit zunehmender Entfernung vom Sender ab und kann beispielsweise auf einem Smartphone sehr leicht gemessen werden. Dieser Effekt wird für 5G-Fingerprinting genutzt: Zunächst wird dafür in einem ausgewählten Bereich eine Signalstärkenkarte aufgezeichnet, in der verzeichnet ist, wo welche Signalstärke typischerweise auftritt. Durch Abgleich der aktuell gemessenen Signalstärke mit dieser Karte, kann anschließend im Innen- und Außenbereich lokalisiert werden. 5G-Fingerprinting ermöglicht Nutzern damit eine mühelose und exakte Orientierung, beispielsweise an Flughäfen, Bahnhöfen oder im industriellen Umfeld.

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    TDoA (Time Difference of Arrival) ist ein laufzeitbasiertes Verfahren der Funkortung, bei dem Mobilgeräte geortet werden, indem die Laufzeit zwischen Mobilgerät und mehreren Basisstationen gemessen wird. Für laufzeitbasierte Verfahren ist 5G eine sehr interessante Basistechnologie, da die verfügbare Bandbreite von bis zu 100 MHz eine hohe zeitliche Auflösung, und damit auch eine herausragende Lokalisierungsgenauigkeit ermöglicht. Im hier gezeigten Testszenario wird ein Fahrerloses Transport System (FTS) mittels TDoA geortet. Das Dashboard zeigt dazu die gemessene 2D-Position des FTS auf der Teststrecke, aber auch die x-, y- und z-Position sowie die Abweichung von der tatsächlichen Position an. Die Lokalisierung erfolgt auf Basis einer am Fraunhofer IIS entwickelten FR1-Emulationsplattform für 5G NR. Damit kann eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für die 5G-Lokalisierung in Produktion und Logistik schon heute umfangreich getestet werden.

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    Datengetriebene Methoden des maschinellen Lernens helfen dabei, die funkbasierte Lokalisierung in Innen- und Außenräumen robust gegen Mehrwegeausbreitungen von Funksignalen zu machen und erhöhen so die Genauigkeit der Positionsschätzung. Der Fokus liegt dabei auf der Erforschung datengetriebener Modelle, die in der Lage sind, Anomalien in Funkkanalinformationen zu erkennen und zu korrigieren. So werden beispielweise datengetriebene Methoden zur hochpräzisen und robusten Funklokalisierung in Gebäuden erforscht, die auf unterschiedliche und dynamische Umgebungen übertragen werden können.

Mehr Informationen zu 5G Bavaria

 

Initiative »5G Bavaria«

Testzentrum und Testbeds für 5G-Technologien

 

5G-Bavaria-Testbed »Industrie 4.0«

Vernetzte Produktion

 

5G-Bavaria-Testbed »Automotive«

Vernetztes Fahren