5G ist die Zukunft der mobilen Kommunikation. Aber die ist noch weiter entfernt als gedacht. Natürlich werden immer mehr moderne Mobilgeräte über 5G verbunden. Aber was heißt das schon? Denn das Ziel des neuen Mobilfunkstandards ist es nicht, Youtube oder Netflix auch unterwegs auf die Sprünge zu helfen. Das ist bestenfalls ein nice-to-have und eine Freude für die Marketingagenturen von Mobilfunkunternehmen. Aber es reizt die technischen Möglichkeiten des neuen Mobilfunkstandards nicht aus. Bei Weitem nicht. »Natürlich bieten Mobilfunknetze mit 5G deutlich mehr Tempo und Leistung, soweit es das Telefonieren oder mobile Surfen betrifft«, sagt Kai Habel vom Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI. Das allerdings sei eben nur ein Bruchteil des Einsatzspektrums, den 5G bieten soll. Denn in der industriellen Nutzung, für die der Standard vornehmlich entwickelt wurde, sei 5G noch gar nicht angekommen. Gerade was das Internet der Dinge anbetrifft, bewege sich alles noch in einem eher theoretischen Rahmen.

Gemeinsame Infrastruktur für Mobilfunk und das Internet der Dinge

Um den Mobilfunkstandard umfassend nutzen zu können, müssten eigentlich neue Kommunikationsinfrastrukturen aufgebaut werden. Dann könnten beispielsweise Tausende von Sensoren, Aktoren und Prozesssteuerungssysteme einer Industrie 4.0 Produktionsstätte miteinander kommunizieren. Auch Ampelanlagen und Verkehrsleitsysteme in einer Stadt könnten lückenlos gesteuert werden. Und es würden sich (teil-)autonome Fahrzeuge untereinander und mit der Verkehrsinfrastruktur austauschen. Das sind zwar nur Schlaglichter, aber sie zeigen die Bedeutung von 5G. Denn all diese Anwendungsszenarien und hundert Weitere haben eines gemeinsam: Für sie sind flexible und nahezu latenzfreie 5G-Funkverbindungen in Verbindung mit einer modernen Infrastruktur das »Lebenselixier« und ein Garant für das sichere Funktionieren.

Funknetz und leitungsgebundene Dateninfrastruktur als Einheit

»Allerdings ist 5G bisher lediglich auf der Übertragungsstrecke zwischen Sendemast und den verbindungswilligen Geräten installiert, also nur im Bereich des Funkzugangsnetzes«, erklärt Habel. Und weiter: »Für das Kernnetz dahinter, also für die Datenübertragung zwischen den Funkzellen, zu den Netzknoten und zu den Servern nutzen wir heute noch die physischen Leitungen und die Steuerungssysteme des LTE-Netzes.« Im Fachjargon heißt diese Brückentechnologie: 5G Non-Standalone (5G NSA).

»Solange wir 5G NSA nutzen müssen, können wir viele der neuen Möglichkeiten des 5G Standards noch nicht verwenden«, sagt Habel. Dass aktuell ein Teil der Infrastruktur mit modernen Komponenten ausgerüstet wird und mit neueren Verfahren arbeitet, ist dafür nicht genug. Vielmehr sei für die Entwicklung zu 5G Standalone ein an die neue Technik angepasster Aufbau der gesamten Netzstrukturen nötig. Wir brauchen – so Habel – einen Paradigmenwechsel: Weg davon, dass die Übertragungswege von dem physisch geknüpften Netz determiniert werden und hin zur Einrichtung virtueller Netze – auch mehrerer simultan auf einer gemeinsamen physischen Infrastruktur. »Dafür aber müssen die Netzkomponenten und Steuerungsroutinen deutlich flexibler, erheblich vielschichtiger und damit leider auch komplexer werden«, sagt der Forscher.

Habels Kollege am Fraunhofer HHI, Dr. Johannes Fischer, beschreibt, welche positiven Auswirkungen dieser Paradigmenwechsel haben kann: »Es müsste dann zum Beispiel keine fix vorgegebenen Übertragungswege der Daten mehr geben. Jeder Kommunikationsauftrag würde individuell geplant und behandelt und zwar entlang des gesamten Sende- und Empfangsprozesses«. Intelligente Steuerungssysteme könnten also je nach Netzsituation und den spezifischen Anforderungen an die Verbindung den jeweils besten Transportweg nutzen. Außerdem könnten verteilte Rechnereinheiten eingesetzt werden, die Datenanalysen möglichst anwendungsnah ausführen. Das spare Übertragungswege und -zeiten ein.

Open Testbed Berlin – 5G and beyond

Immerhin: Der 5G-Standard unterstützt viele der dafür erforderlichen Bausteine und Verfahren. Zumindest in der Theorie, denn »wie alles im Realbetrieb zusammenarbeiten kann und die jeweils benötigte Performance liefert, ist noch unklar – und zu einem großen Teil noch Aufgabe der Forschung«, betont Habel. Um diese Aufgabe zu erfüllen, reiche es allerdings nicht, einzelne Komponenten und Verfahren »nur« im Labor zu entwickeln. Nötige sei ein voll funktionsfähiges 5G-Standalone Mobilfunknetz, das Tests unter realen Bedingungen erlaubt. Exakt solch eine Infrastruktur haben Forscher*innen vom Fraunhofer HHI gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie deshalb nun im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt »Open Testbed Berlin – 5G and Beyond (OTB-5G+)« rund um das Gelände der Technischen Universität in Berlin-Charlottenburg eingerichtet.

Voll funktionsfähiges 5G-Standalone Mobilfunknetz

Die 5G-Testumgebung bietet den Forscher*innen sämtliche Komponenten und Verbindungen, die für den Betrieb als autarkes und durchgängig auf 5G-Technologien basierendes Kommunikationssystem notwendig sind: Von mehreren Basisstationen und Funkzellen mit Massive MIMO-Antennensystemen und den Glasfaser-Transportnetzen über ein Funkzugangsnetz und eine 5G-Kernnetz-Software bis hin zur Cloudanbindung für verschiedenste zentrale und verteilte Steuerungsprozesse. »Auf dieser Infrastruktur können wir sogar mehrere Netzinstanzen simultan einrichten und damit zum Beispiel den Übergang zwischen einem privaten Campusnetzwerk eines Unternehmens und dem öffentlichen Mobilfunknetz simulieren«, unterstreicht Habel. Zudem können ergänzende 5G-Schlüsseltechnologien in die Netzinfrastruktur integriert und getestet werden. Dazu gehört zum Beispiel der Einsatz neuartiger Mikrofunkzellen.

Mikrozellen und verteilte Rechenleistung

»Die Vernetzung von Fahrzeugen und Verkehrsinfrastruktur in innerstädtischen Bereichen erfordert eine Kommunikationsdichte, die eine heute übliche Funkzelle nicht leisten kann«, erklärt Fischer. In unserem 5G-Netz haben wir deshalb zusätzliche, kleine Funkzellen integriert, die an oder in den Laternenmasten installiert sind. Der Vorteil der Mikrozellen liegt darin, dass sie näher an den Fahrzeugen sind, mit denen eine schnelle und sichere Kommunikation aufgebaut werden soll. Weil die Entfernung sinkt, können höhere, aber weniger weitreichende Frequenzen für die Übertragung genutzt werden. Und die nun erhöhte Frequenz erlaubt es wiederum, mehr Bandbreite zu nutzen und ermöglich so eine leistungsfähige Anbindung vieler Funkteilnehmer gleichzeitig. Ein cloudbasiertes Steuerungssystem sorgt dabei für den nahtlosen Wechsel von einer Mikrozelle zur nächsten beziehungsweise außerhalb deren Sende-/Empfangsbereich für die Übergabe der Verbindung an eine klassische Funkzelle.

Schnell und breitbandig zu kommunizieren ist allerdings nur ein weiterer Schritt auf dem komplexen Weg hin zum Ziel, 5G umfassend nutzbar zu machen. Ein weiterer ist eine Antwort auf die Frage, wie die von den Fahrzeugen empfangenen Daten übertragen und verarbeitet werden. Denn dafür müssen sie eigentlich erst von der Basisstation über die Funknetzzentrale in das Internet und bis zu einem Server geleitet werden, der sie ausgewertet und das Ergebnis wieder den ganzen Weg retour zurückschickt. »Das aber wäre mit den notwendigen Echtzeitanforderungen für vernetztes Fahren kaum zu erfüllen«, sagt Habel. Die Idee der Forscher*innen: »Das Netz müsste Rechenkapazitäten dezentral anbieten, damit wir kürzeste Latenzzeiten über den gesamten 5G-Dienst hinweg erreichen.« Auch dafür soll das Testfeld nun umfassend genutzt werden.

Netzressourcen intelligent und automatisiert steuern

Ein Schwerpunkt der Forschungen am 5G-Testfeld Berlin ist die cloudbasierte Steuerung der Netzressourcen. Denn statt weniger Standardprodukte, wie sie Mobilfunknetze bisher anbieten, soll ein 5G-Netz möglichst jeden Vernetzungs- und Kommunikationsbedarf individuell erfüllen können. Und zwar nicht nur auf Bestellung im Voraus, sondern ebenso auch ad hoc. Ermöglichen könnten das cloudbasierte, KI-unterstütze Steuerungssysteme. »Damit lassen sich zum Beispiel exklusive Kommunikationsverbindungen mit definierten Qualitätsanforderungen in nahezu Echtzeit einrichten«, sagt Fischer. Genutzt werden könnten diese dann beispielsweise, um eine Maschinenstörung an einer Produktionsanlage per Fernwartung zu beheben. Und im Fall eines großflächigen Unglücks könnte das Funknetz den Einsatzkräften zügig eine robuste, leistungsstarke Kommunikationsinfrastruktur bereitstellen. Wie sich solche Steuerungsroutinen in einem intelligent gesteuerten Funknetz realisieren lassen, hat das Team von Fraunhofer HHI Team zusammen mit der Berliner Feuerwehr bereits erfolgreich erprobt.

Nachhaltige Infrastruktur für die Mobilfunkforschung

»Obwohl das Projekt OTB-5G+ bald ausläuft: Die Forschungen sind längst nicht abgeschlossen, dafür ist das Potenzial von 5G bereits aktuell schlicht zu vielfältig.«, resümiert Habel. Außerdem gebe es noch verschiedenste Konzepte, um 5G noch zu erweitern und parallel arbeiten Forschende weltweit bereits an der Kommunikationswelt von 6G. Auch künftig werden Universitäten, Institute und Unternehmen die Technologien und -produkte rund um »5G and beyond« weiterentwickeln und unter Realbedingungen erproben müssen und können. Das Testfeld wird dazu vom Innovationscluster 5G BERLIN e. V. als nicht-kommerzielle, öffentlich zugängliche Einrichtung weiterbetrieben und kann im Rahmen einer Mitgliedschaft genutzt werden.

(ted)