Neben den Menschen werden künftig auch Fahrzeuge, Geräte, Maschinen, Produkte und IT-Systeme über den Mobilfunk miteinander kommunizieren. Möglich macht das der neue Standard 5G, über den gleichzeitig bis zu 100 Milliarden Verbindungen weltweit abgewickelt werden können. Dass 5G zudem auch für eine präzise Positionsbestimmung genutzt werden kann, zeigen am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS durchgeführte Tests.

Wo ist die Gitterbox mit dem Bauteilnachschub? Welches Produkt erreicht gerade Montageplatz 11? Ist die Fertigungslinie für den nächsten Auftrag schon entsprechend umgestellt? Wo finde ich das Schweißgerät, dessen Sensoren gerade einen Defekt gemeldet haben? Viele Industrie 4.0 Anwendungen laufen nur dann »rund«, wenn das System (und damit auch der Mensch) die im Industriellen Internet der Dinge (IIoT) agierenden Einheiten jederzeit und präzise lokalisieren kann. Dies gilt für das Tracking eines kundenindividuell gefertigten Produkts vom Rohling bis zum Versand ebenso wie für Bearbeitungsstationen, die in der Werkshalle je nach Auftrag flexibel zusammengestellt werden sowie für das gesamte mobile Material in der Logistik von der Palette über den Gabelstapler bis zum Frachtcontainer. Eine lückenlose Ortsbestimmung lässt sich jedoch gerade im industriellen Umfeld alles andere als einfach realisieren.

Die Ortung über die vorhandenen Signale heutiger Mobilfunknetze beispielsweise liefert viel zu ungenaue Positionsangaben. Und natürlich stehen satellitengestützte Verfahren in überbauten Logistikzentren und Werkshallen nicht zur Verfügung. Auch alternative Ortungssysteme - von der WLAN-Lokalisierung bis zu spezialisierten Funksystemen – sind ebenfalls nur lokal verfügbar. Außerdem setzen sie einen teils erheblichen Einrichtungs- und Investitionsaufwand voraus. Die Forscher am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS setzen deshalb auf 5G. »Der neue Mobilfunk Standard wird nicht nur weltweit standardisierte Funkverbindungen mit ultrakurzen Latenzzeiten von unter einer Millisekunde ermöglichen. Er gewährleistet auch Spitzenübertragungsraten von 10 Gbit/s oder höher und senkt den Stromverbrauch der Kommunikationssysteme deutlich«, sagt Karin Loidl vom Fraunhofer IIS. Vor allem aber werde mit 5G eine einheitliche Basistechnologie zur Verfügung stehen, mit der eine Positionsbestimmung im Industrieumfeld auch mit einer Genauigkeit von unter einem Meter realisieren werden könne.

Präzise Positionsbestimmung im industriellen Umfeld

Die 5G-Architektur unterscheidet sich in ihrem Aufbau und Systemverhalten grundsätzlich von anderer Standards und der Umsetzung vorangegangener Mobilfunkgenerationen. Wichtig für die Lokalisierungsverfahren sind vor allem zwei Aspekte: Zum einen besteht das neue Netz nicht mehr aus wenigen, sendestarken Antennen, sondern aus einer Vielzahl kleinerer Antennen, die auf entsprechend mehr Standorte verteilt werden. Außerdem wird an jedem Standort nicht eine einzelne Antenne installiert, sondern ein Antennen-Array, das aus einem ganzen Bündel einzelner Sende- und Empfangseinheiten besteht. Jedes Smartphone und jede IIoT-Komponente bewegt sich künftig also gleichzeitig durch viele einzelne Antennen. »Eine Ortung mithilfe der üblichen Verfahren wie Laufzeit- oder Winkelbestimmung aus den Funksignalen kann sich damit auf erheblich mehr Bezugspunkte stützen. Die Ergebnisse werden also deutlich robuster und präziser«, erklärt Loidl. Und zum anderen arbeitet 5G mit wesentlich höheren Frequenzen bis in den mm-Wellenlängenbereich hinein. Dabei werden auch größere Bandbreiten benutzt. Der Vorteil für die Ortungsverfahren ist die um ein Vielfaches höhere Auflösung der Signallaufzeiten. Dadurch lassen sich die Abstände zu den Funkantennen schneller und präziser berechnen als bisher. Durch die hohe Zahl der einzelnen Antennenelemente bei den Antennenarrays wird auch die bessere Winkelauflösung erzielt.

Integration von Lokalisierungslösungen in die 5G-Architektur

Innerhalb von Gebäuden wird allerdings auch für das neue Netz allein die für die Industrie 4.0 essentielle Lokalisierung auf weniger als einen Meter genau eine Herausforderung darstellen. In modernen Produktionshallen beispielsweise stören oder blockieren Stahlbetoneinbauten die Ausbreitung der Funkwellen. Außerdem reflektieren Metallregale oder produktionstechnische Anlagen und Maschinen die Funkwellen auf vielfache Weise und erschweren so eine Analyse der Signallaufzeiten. Um die Vorteile des neuen Standards auch unter solchen erschwerten Bedingungen zu nutzen und präzise Ortung durchzuführen, arbeiten Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IIS an Methoden, die auf für die Positionsbestimmung durch 5G auf bekannten Ansätzen aufbauen und sie durch neue Technologien ergänzen.

Einen Lösungsbaustein liefert auch hierfür der neue Kommunikationsstandard selbst: Die 5G-Spezifikationen ermöglichen außer dem Verbindungsaufbau mit dem Funknetz auch eine direkte ad-hoc-Vernetzung zwischen den lokalen Komponenten untereinander (Device-to-Device). »Diese relative Ortung verwenden wir sowohl dazu, die Lokalisierungsleistung über das Funknetz bei Bedarf zu ergänzen, als auch für ein funknetzunabhängiges Tracking zwischen Objekten«, so Loidl. Darüber hinaus nutzt das IIS-Team seine Erfahrung und sein Know-how aus mehr als zwanzig Jahren Forschung im Bereich Funklokalisierung. »Für Anwendungen zur Indoor-Ortung mittels WLAN etwa haben wir bereits leistungsfähige Algorithmen entwickelt. Ebenso Methoden des maschinellen Lernens, die irreführende Signalreflexionen erkennen und aus der Funkwellenanalyse herausrechnen«, berichtet Loidl. Durch Überführung dieser Technologien in die 5G-Architektur könne die Positionsbestimmung für Industrie 4.0 Anwendungen nochmals entscheidend verbessert werden.

In der Testhalle des Test- und Anwendungszentrums L.I.N.K. haben die Forscherteams des Fraunhofer IIS die Möglichkeit, neue Funklösungen auch in komplexen industriellen Industrieszenarien live auszuprobieren. Bild: Fraunhofer IIS

Dass sich das Ziel der präzisen Ortsbestimmung im Submeterbereich auch unter schwierigen Bedingungen schließlich erreichen lässt, wollen die Forscherinnen und Forscher unter anderem im institutseigenen Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K. nachweisen. Im Rahmen eines mit dem geplanten 5G-Netz vergleichbaren Versuchsaufbaus haben sie die Funktionsweisen und die Leistungsfähigkeit ihrer Monitoring- und Trackinglösungen für den Produktions- und Logistikbereich hier bereits ersten Praxistest unterzogen und die Machbarkeit demonstriert. (stw)

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