Der Aufbau von 5G-Netzen konzentriert sich in Deutschland zunächst stark auf den Ausbau von Kapazitäten sowie die Breitbandversorgung. Unternehmen benötigen aber auch neue Infrastrukturen und das Know-how, um lokale, firmeninterne 5G-Netze aufzubauen. Die Software Open5GCore ermöglicht die Steuerung eines sogenannten Campusnetzes und bietet gleichzeitig eine hohe Flexibilität bei der Ausgestaltung. Sie ist damit auch für portable, zeitlich begrenzte, mobile Netze prädestiniert, wie sie etwa im Katastrophenfall bereitstehen sollten.

Hallo Herr Prof. Magedanz, der Aufbau und die Optimierung sogenannter Campusnetze ist ein schwieriges Thema.

Das kommt auf die Perspektive an. Auch der Wiedereintritt einer bemannten Raumkapsel in die Erdatmosphäre ist ein schwieriges Thema – wenn man beispielsweise über all die Gesetzmäßigkeiten und Berechnungen spricht, die berücksichtigt werden müssen. Entscheidend aber ist doch letztlich, heil den Erdboden zu erreichen. Insofern können wir also versuchen, auch das Thema 5G und Campusnetze möglichst klar zu fokussieren: Entscheidend ist der Nutzen für die Unternehmen.

Sie und Ihr Team am Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme FOKUS arbeiten daran, den Einsatz dieser Campusnetze zu optimieren …

… oder auch erst möglich zu machen. Um unsere Arbeit und den Nutzen, der sich daraus ergibt, zu verstehen, muss ich allerdings ein paar Erklärungen vorausschicken: Ein Campusnetz, also ein regional begrenztes Kommunikationsnetz, wird aufgebaut durch Antennen, Endgeräte, lokale Daten sowie Anwendungen und Übergänge ins eigene Firmennetz und bei Bedarf ins Internet. Es bildet also eine Umgebung ab, über die 5G genutzt werden kann. Im Zentrum dieses Ensembles steht ein Kernnetz. Dieses Kernnetz ist entscheidend, denn hier erfolgen Authentifizierung, Mobilitätsmanagement und die Steuerung von dedizierten Kommunikationsverbindungen zwischen Endgeräten und den Diensten. Es ist somit das Herz eines Kommunikationsnetzes, denn hier arbeiten die Steuerprogramme für die Kommunikation. Diese Steuerprogramme aber wurden im Zuge technischer Anpassungen und neuer Ansprüche mit Blick auf verschiedenste 5G-Anwendungen stetig erweitert und mit zusätzlichen Funktionen angereichert.

Das gilt aber nicht nur für die Software, auch Hardware-Komponenten wurden immer wieder angepasst.

Das ist ein weiterer, entscheidender Punkt. Ursprünglich hat die Verbesserung einzelner Hardwarekomponenten stets auch eine zusätzliche Anpassung der Steuersoftware nötig gemacht. Die Komplexität vor Ort in den Campusnetzen steigt also in allen Bereichen. Davon wollten wir weg und entwickeln deshalb seit Jahren »softwarebasierte Netze«. Hier werden Software und die meist sehr spezielle Hardware entkoppelt. Dafür benutzen wir die sogenannte Virtualisierungstechnologie.

Der Begriff ist eng verwandt mit Cloudtechnologien, wie wir sie von »Software as a Service« kennen.

Genau. Wir nutzen lokale Datenzentren, sogenannte Edge Computing Knoten, die Firmendaten und Anwendungssoftware beherbergen. Hier wird auch die virtualisierte Software für das Kernnetz hinterlegt. So können wir die Entwicklung beziehungsweise Weiterentwicklung kleinerer Netze oder auch umfangreicherer Firmennetze gut unterstützen.

Eine Software, die so etwas möglich macht, heißt Open5GCore und wurde am Fraunhofer FOKUS entwickelt. Sehr vereinfacht gesagt, bietet Open5GCore ein umfangreiches Programmpaket, mit dem die verschiedensten und je nach Situation unterschiedlichen Hardware-Komponenten eines Campusnetzes flexibel und skalierbar gesteuert werden können.

Open5GCore erlaubt die dynamische Konfiguration von 5G-Kommunikationsinfrastrukturen. Es ist also möglich, ein Campusnetz softwareseitig an Vorgaben und Erwartungen individuell anzupassen. Mit ihr lassen sich anwendungsspezifische lokale 5G-Netze realisieren. Unternehmen, aber auch öffentliche Institutionen rund um den Globus nutzen sie mittlerweile. Seit gut zwei Jahren vergeben wir Lizenzen dafür. Aktuell ist Version 4 verfügbar.

Warum ist diese dynamische Konfiguration so wichtig?

Weil Campusnetze in Zukunft ausgesprochen unterschiedliche Aufgaben haben und entsprechend unterschiedlich aufgebaut sein werden: Denken Sie an die unterschiedlichen einzubindenden Endgeräte, wie Sensoren, Fertigungsmaschinen, Roboter, unbemannte Fahrzeuge, Computer, Tablets oder AR/VR-Brillen, die jeweils notwendige Bandbreite sowie die Priorität kurzer Latenzzeiten für die Maschinen- und Fahrzeugsteuerung. Es gibt noch viele Faktoren, die bei Campusnetzen eine Rolle spielen und die bei traditionellen Anbietern von 5G wenig Beachtung gefunden haben. Denn üblicherweise steht der flächendeckende Aufbau der Netze für viele Endnutzer an sich im Mittelpunkt und nicht die Frage, ob die herkömmlichen Netze flexibel genug sind, um einfach und dynamisch individuell angepasst zu werden. Zudem würden Kunden niemals den Source-Code von Huawei, Ericsson oder Nokia bekommen, um eigene Anpassungen vornehmen zu können.

Wo und wie ist Open5GCore konkret im Einsatz. Gibt es Anwendungsbeispiele?

Natürlich. Ein eher grundsätzliches Beispiel ist unser 5G Playground. Das ist eine Art Schaufenster beziehungsweise Referenz-Testbed für 5G-Hard- und Software, bei dem wir für unterschiedliche Anwendungsbereiche verschiedene Konfigurationen einer Netzinfrastruktur zeigen. Beispielsweise, wenn es um ein portables mobiles Campusnetz geht, für das eine Anbindung an Satelliten nötig ist, um einen Roboter anzusteuern oder auch nur eine 360-Grad-Kamera. Ein anderes Beispiel ist die Programmierung von Fertigungsmaschinen, bei der unsere Industrial IoT-Gruppe weltweiten Expertenstatus hat. Dabei spielen natürlich auch Fertigungsroboter eine zentrale Rolle. Und diese benötigen eine realzeitfähige Kommunikationsanbindung wie 5G, um nun im Kontext von Industrie 4.0 dezentral gesteuert zu werden. Auf der Hannover Messe haben wir zusammen mit Partnern einen entsprechenden Aufbau präsentiert. Unter anderem konnten wir gemeinsam mit der German Edge Cloud (GEC) auf dem Stand von Rittal zeigen, wie sich ein Industrieroboter über ein lokales, drahtloses 5G-Netzwerk steuern lässt, auf dem Open5GCore ausgeführt wird. Durch die geringe Latenz war die Steuerung in Echtzeit möglich.

Das heißt, dass Open5GCore zwei Entwicklungsrichtungen bedient: Zum einen portable und zum anderen stationäre, lokale Netze, wie sie etwa bei Produktionsanlagen üblich sind.

Das sind in der Tat zwei sehr unterschiedliche Anwendungsfälle. Der Aufbau eines Campusnetzes in einer Industrieumgebung gehört derzeit zwar zu den Schwerpunkten unserer Arbeit. Aber portable Netze werden ebenfalls immer wichtiger: Denken Sie nur an die Möglichkeiten, die ein derartiges Netz etwa in Katastrophenfällen bietet. Für beispielsweise die Feuerwehr oder das THW sind solche Netze eine wichtige Unterstützung, um auch dort zu kommunizieren, wo es Funklöcher gibt. Vor allem aber, um vor Ort die Einsatzkräfte multimedial miteinander kommunizieren zu lassen und Maschinen, Roboter und Drohnen in Echtzeit steuern zu können.

Wie funktioniert das praktisch?

Wir können beispielsweise auf ein Feuerwehrfahrzeug eine lokale 5G-Zelle aufbringen, die dann nicht nur über Satellit mit dem Rest der Welt verbunden ist, sondern die verschiedenen Einsatzkräfte stabil miteinander vernetzt. Denn unsere Software steuert dieses Netz flexibel für die unterschiedlichen Kommunikationsanwendungen. Demnächst könnte das Kernnetz dann vermutlich nur noch aus einer kleinen Box bestehen, an die Funkantennen auf der einen Seite angeschlossen werden und auf der anderen Seite das Anbindungsnetz. Das kann eine klassische Glasfaserverbindung ebenso sein wie eine Satellitenverbindung. Dank seiner geringen Latenz und einer sehr hohen Bandbreite ermöglicht dieses »handliche Kernnetz« dann Verbindungen, die unterschiedlichste Kommunikation sicher und mit der erforderlichen Dienstgüte realisieren. Daran arbeiten wir gerade.

Wo liegen derzeit die höchsten Hürden für die Weiterentwicklung dieser Kernnetze?

Es sind die Endgeräte! Derzeit sind schlicht noch nicht genug kommerzielle Endgeräte und Basisstationen verfügbar, die ein 5G nutzen, dass auf der »Standalone Architecture« aufbaut. Gemeint ist eine 5G-Architektur, die auf der Basis neuester Internetprotokolle arbeitet. Denn die Telekommunikationsanbieter nutzen derzeit noch ein altes 5G, das eine Netzinfrastruktur nutzt, die auch noch 4G unterstützen muss. Aus Sicht eines Forschers wird hier noch viel unnötiger Ballast mitgeschleppt. Denn das zukünftige 5G-Netz wird komplett flexibel programmierbar und erweiterbar sein. Dank Machine Learning und künstlicher Intelligenz wird es sich dann automatisch auf die Bedürfnisse einstellen können, die vor Ort vorliegen.

(aku)

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Prof. Dr. Thomas Magedanz
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