Sensordaten aus der Umgebung bündeln, den Katastrophenschutz unterstützen und neue Leistungsspitzen beim drahtlosen Internet erreichen? Durch »WiBACK« bietet das Fraunhofer FIT eine Lösung, die nicht nur aktiv dabei hilft, eine drahtlose Internetinfrastruktur in Ländern wie Tansania, Kolumbien und Indien aufzubauen. Hinzu kommen diverse Neuerungen, die es ermöglichen sollen, weitläufig Sensordaten zu bündeln, flexible und autonome Netze in sicherheitskritischen Situationen aufzubauen und den Weg frei zu machen für die Entwicklung der drahtlosen Glasfaser.

Im letzten Artikel vom 12. Oktober 2018 haben wir vor allem über Fortschritte in den sich neu anbahnenden oder bestehenden Projekten in Deutschland und anderen Ländern und den damit verbundenen Herausforderungen berichtet. In diesem zweiten Teil wird es um die technologischen Neuerungen, Leistungssteigerungen und weitere Vertriebs- sowie Nutzungsmöglichkeiten von WiBACK gehen.

Open Source und neue Vertriebswege

Ob Open Hardware oder Open Software – der Trend, diverse Lösungen in Open Source Form anzubieten, nimmt zu. Auch WiBACK verfolgt zum Teil diesen Ansatz: Das Linux-Kernel und alle vom WiBACK-Team vorgenommenen Änderungen daran sind frei zugänglich. Ebenso gibt es eine Basis-Programmierbibliothek, auf der WiBACK aufgebaut ist und welche ebenfalls Open Source ist. Die WiBACK-Software selbst ist momentan kostenpflichtig, allerdings gäbe es Szenarios, in denen eine Open Source Lösung z.B. im Rahmen der Entwicklungszusammenarbeit vorstellbar wäre, beispielsweise durch entsprechende Abstandszahlungen zur Finanzierung der Weiterentwicklung, durch die auf Lizenzgebühren verzichtet werden könnte.  »Das WiBACK-Projekt ist zwar gerne gesehen, steht aber auch vor der Herausforderung, sich gemäß des Fraunhofer-Forschungsleitbildes zu einem Drittel durch direkte Forschungsaufträge mit der Wirtschaft zu finanzieren. Dies ist im eher trägen und sehr politischen Umfeld der Entwicklungszusammenarbeit eine schwierige Aufgabe«, fasst Dr. Kretschmer, Leiter der Abteilung Network Research (NET) des Fraunhofer FIT das Spannungsfeld zusammen.

Das »WiBACK«-Netz rund um das Fraunhofer FIT dient als Teststrecke um verschiedene Aufbauten und Einsatzmöglichkeiten zu erproben. Bild: Fraunhofer FIT

Das WiBACK-Team erprobt daher bereits neue Finanzierungs- und Vertriebskonzepte, welche lokale Partner bei oftmals geringen Kostensätzen stärker in die Wertschöpfungskette einbinden. So wäre es beispielsweise denkbar und gewollt, bei Partnern in Indonesien und Kolumbien die landeseigene Produktentwicklung weiter zu fördern. Konkret heißt das: »Die Hardware, die jetzt noch unter viel Aufwand per Hand gefertigt wird, ließe sich mit dem entsprechenden Geschäftsmodell auf Masse produzieren, wodurch sich die Hardware-Kosten in etwa halbieren, die lokale Infrastruktur stärken und die Umwelt schonen ließen«, so Kretschmer. Um daher neue Geschäfts- und Entwicklungspartner zu finden, ist WiBACK auch im »Telecom Infra Project« u.a. mit Firmen wie Facebook, der Deutschen Telekom, Intel oder Telefonica vertreten. Die Idee hinter der Vereinigung zielt darauf ab, leicht replizierbare Massenmarkttechnik auf die Telekommunikationsbranche anzuwenden, um die Infrastrukturkosten zu senken und für spezifische Anwendungsfälle leichter nutzbar zu machen. Auch Fraunhofer-intern ist man weiter auf der Suche nach Unterstützungs- und Fördermöglichkeiten, um den breitflächigen Einsatz der innovativen Technologie möglich zu machen.

Ein Ausschnitt aus der »WiBACK«-Software über ein bestehendes Netz zwischen verschiedenen Ortschaften. Ersichtlich sind vor allem die redundanten, doppelten Verbindungen. Bild: Fraunhofer FIT

Da WiBACK einen Ansatz des möglichst einfachen und automatisierten Einsatzes vertritt, interessieren sich inzwischen auch die sogenannten Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) wie z.B. das THW, das Rote Kreuz oder der Malteser Hilfsdienst für die Lösung zum Einsatz in Katastrophenfällen. Hier kommen die besonderen Stärken von WiBACK zum Tragen: Anders als bei statischen Netzen für die allgemeine Bevölkerung, »ist es beispielsweise in Katastrophensituationen wichtig auf ein flexibles, selbstkonfigurierendes Netz zurückgreifen zu können, das auch von Nicht-Technikern aufgebaut werden kann.«, erklärt Kretschmer (»Plug-and-Play« Ansatz). Oftmals werden hier Lösungen der Mobilfunkanbieter genutzt, da diese auf dem Markt sehr etabliert sind und das Vertrauen der Regierung besitzen. Allerdings können diese ein Netz im Falle eines großflächigeren Stromausfalls oft nur für wenige Stunden aufrechterhalten, bevor es zusammenbrechen würde. In solchen Situationen kann mittels WiBACK ein alternatives Kommunikationsnetz (inklusive Redundanz) aufgebaut werden, dessen Netzknoten aufgrund der geringen Stromaufnahme mit einer Batterie gespeist werden können (24 Stunden mit eingebauter Batterie – mit externer Batterie und Solarzelle auch mehrere Tage), um somit einen Teil der kritischen Infrastruktur sicherzustellen.

Erhöhte Leistung und neue Einsatzmöglichkeiten

Das wird vor allem durch neue technische Entwicklungen möglich: Inzwischen läuft WiBACK mit der Softwareversion 4.2, die Knoten können mit bis zu vier Funkmodulen bestückt werden, es gibt eine eigens mit dem Fraunhofer ICT entwickelte Batterie, ein Systemboard und einen eingebauten Solarregler. Die Batterie ist zwar für den Einsatz in Äquatorialländern dimensioniert, lässt sich aber durch auf spezifische Regionen abgestimmte Modelle austauschen, wofür allerdings gesonderte Anpassungen nötig wären. Zudem konnte eine Leistungssteigerung auf konstante 200 Mbit pro Link und eine Verbesserung der Latenz erreicht werden. Gleichzeitig wurde die Bedienoberfläche komplett und benutzerfreundlicher neugestaltet und eine Möglichkeit für redundante Verbindungen etabliert. Durch Kreistopologien werden jetzt zwei Verbindungen pro Knoten möglich, was wiederum bedeutet, dass bei einem Ausfall einer Verbindung die redundante »einspringt«. Falls an sehr sonnenarmen Tagen die Batterie eines Knotens doch einmal leerläuft, fährt dieser selbstständig wieder hoch, sobald Strom durch Solarenergie eingespeist wird. Die Solarenergie garantiert also die Autonomie des Systems. Bei einem seltenen Hardwareausfall (z.B. durch Beschädigung) kann diese problemlos ausgetauscht werden, wonach eine automatische Konfiguration erfolgt.

Die eigens für »WiBACK« mit dem Fraunhofer ICT angefertigte Batterie liefert für 24 Stunden Strom. Spätestens dann muss neue Energie durch ein Solarpanel zugeführt werden. Bild: Fraunhofer FIT

Hinzu kommen weitere Einsatzmöglichkeiten: Da die WiBACK-Knoten in teilweise schwer zugänglichen Regionen eingesetzt werden, lässt sich deren Verwendung auch als Möglichkeit für die Erhebung von Umgebungsdaten wie Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Temperatur begreifen. Dazu können sie mit sogenannten »LoRa« (Long Range) Data Loggern gekoppelt werden, die über 10 bis 20 Kilometer Daten an die Knoten funken können, dabei mit einer Batteriedauer von bis zu fünf Jahren sehr wenig Strom verbrauchen und somit langlebig agieren. Dazu sind die WiBACK-Knoten mit LoRa-Gateways ausgestattet, wodurch in einem großen Radius entsprechende Sensoren angebunden werden und sich so in das WiBACK-Netz einspeisen können. Als Prototyp besteht um das Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT ein solches Netz, bei dem sich Interessierte anmelden und sich über das Sensordaten aus Köln, Bonn und der weiteren Umgebung anzeigen lassen können. Weitere Anwendungen können hier jedoch äußerst vielfältig ausfallen: Beispielsweise ließe sich so ohne größeren Aufwand eine Stromzählerkontrolle verwalten, die in ländlichen Regionen in Afrika oft manuell und über ein Prepaid-System abläuft. Wenn dann der Monatstarif für die Stromlieferung an dem entsprechenden Terminal nicht eingezahlt würde, müsste kein Elektrofachmann den Strom manuell abklemmen, sondern es würde genügen, die Daten über das entsprechende Funkmodul zu senden und so die Stromzufuhr zu unterbrechen. Ein weiteres Anwendungsfeld stellt das »Internet of Farming« dar, bei dem Wetter oder Ertragsdaten über teilweise gigantische Anbauflächen in Angola oder Kolumbien direkt an ein WiBACK-Netz gesendet werden könnten.

Dieser spezifische Aufbau besteht aus einem »WiBACK«-Knoten, zwei Richtfunk-Antennen (5 GHz) und einer Stab-Antenne für »LoRa« Sensorik (IoT). Bild: Fraunhofer FIT

Wenn aber immer mehr Daten gesendet und der Durchsatz konsequent nach oben korrigiert werden muss, sind aktuelle Funktechnologien überhaupt noch ausreichend leistungsfähig? Dazu forscht das WiBACK-Team aktuell mit den Fraunhofer-Instituten HHI, IAF und ESK in dem Verbundprojekt »KoNET« /»Beyond 5G«, um eine Übertragungsgeschwindigkeit im Terahertz-Bereich jenseits der 5G-Ziele zu erreichen. Hierzu sollen Übertragungsfrequenzen bis zu 200 GHz genutzt werden. Die eigentliche Millimeter-Wave Technologie wird dabei vom Fraunhofer HHI und Fraunhofer IAF entwickelt, wobei WiBACK vor allem herangezogen und weiterentwickelt werden soll, um Verbindungs- und Leistungseinbrüche (z.B. bei Nebel oder Regen) zu verhindern, um ein stabiles Netz zu garantieren. »Das würde bedeuten, dass wir eine drahtlose Glasfaserverbindung per Funk schaffen, die allerdings auch an gewisse Bedingungen gebunden ist«, erläutert Kretschmer. Denn um eine solche Stabilität zu erreichen, müsste die Distanz zwischen den Knoten auf maximal wenige Kilometer reduziert werden, was aber wiederum logistische, teilweise auch rechtliche bzw. regulatorische Herausforderungen mit sich bringen würde. Nicht umsonst findet das Projekt im Rahmen der sogenannten »marktorientierten strategischen Vorlaufforschung« (MAVO) von Fraunhofer statt: Bis die drahtlose Glasfaser tatsächlich für die breite Bevölkerung in Deutschland und im Rest der Welt zugänglich ist, werden aber noch einige Jahre vergehen. In der Zwischenzeit liegt der Fokus des WiBACK-Teams daher zunächst darauf, auch den Regionen in der Welt Zugang zu stabilem und vergleichsweise schnellem Internet zu bieten, die momentan davon ausgeschlossen sind.

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