Selbstfahrende Autos, mit Menschen kollaborierende Roboter und smarte Technologien für die Industrie benötigen extrem schnelle und zuverlässige Kommunikationssysteme. Die Mobilfunkgeneration 5G bringt eine Demokratisierung der Technik und dazu wird in Österreich geforscht, erklärt Helmut Leopold, Head of Center for Digital Safety & Security am AIT.

Report: Den Herstellern zufolge werden in den nächsten ein bis zwei Jahren laufend 5G-Produkte auf den Markt kommen, der um Jahr 2020 in der kommerziellen Breite erschlossen sein wird. Was macht diese nächste Mobilfunkgeneration aus Ihrer Sicht so spannend?

Helmut Leopold: Es gibt mehrere technische Treiber für 5G. Zum einen sind dies natürlich die wesentlich größeren Kapazitäten. Heute noch müssen sich die Teilnehmer im Bereich eines Mobilfunksenders die Kapazitäten einer Funkzelle teilen. Bei sehr großen Veranstaltungen wie etwa Konzerten behilft man sich mit dem Aufstellen von mobilen Einheiten, um zumindest Telefonie für alle zu ermöglichen.

Mit der neuen Mobilfunktechnologie werden Zellen und Bandbreiten virtualisiert und flexibel definiert. Das vervielfacht die Kapazitäten, zumindest bis zu einem gewissen Grad. Freilich ist dafür auch eine größere Zahl an Antennen notwendig. Funktechnologie mit Kurzwellen im Gigahertz-Bereich ist in ihrer geografischen Ausbreitung beschränkt. Mit dem Ausbau eines 5G-Netzes wird die Mobilfunkabdeckung trotzdem effizienter. So werden intelligente Antennensysteme in ihrer Funkrichtung den Netzteilnehmern regelrecht folgen können.

Report: Das digitalisierte Fahrzeug ist heute bereits Realität, künftig sollen auch autonome Modelle auf den Straßen unterwegs sein. Braucht es dafür 5G?

Leopold: Zielgerichtete Funkverbindungen sind die Basis für Entwicklungen auch auf der Straße. Hier sind wir beim nächsten Argument für 5G: zuverlässige Kommunikation in kurzer Zeit – Stichwort Latenz. Autobahnbetreiber werden nicht mit WLAN Fahrzeuge, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, servicieren – sondern mit 5G. Die Mobilfunktechnik ermöglicht auch die direkte Verbindung von Fahrzeug zu Fahrzeug – was unumgänglich für autonome Systeme ist. Verkehrsteilnehmer können damit auch ohne zentrales Netz zielgerichtet miteinander kommunizieren, etwa an Straßenkreuzungen. Gerade für den Einsatz im Verkehr braucht es Funktechnik, die zuverlässiger als heutige Mobilfunktechnik ist. Mit einer herkömmlichen Netzinfrastruktur mit 4G oder WLAN wäre das Steuern von autonomen Fahrzeugen gar nicht möglich, denn bei Geschwindigkeiten von 130 km/h auf der Straße sind sehr, sehr kurze Reaktionszeiten nötig.

Bei Latenzzeiten von unter einer Millisekunde wird sich mit 5G eine Bandbreite neuer Einsatzmöglichkeiten eröffnen. Auch in Fabriken werden Roboter heute in der Regel noch kabelgebunden gesteuert. Um dort mehr Flexibilität und Bewegungsfreiräume hineinzubringen, braucht es ebenfalls Funktechnologien.

Für mich ist 5G weniger die Ablöse von 4G auf Breitbandebene, sondern eher die Möglichkeit, auch einen Maschinenpark drahtlos zuverlässig und sicher zu steuern. Das bedeutet, dass ein Betreiber einer Fabrik mit seinen Antennen auch selbst zum Netzbetreiber werden kann. Damit öffnen sich neue Geschäftsmodelle über die Mobilfunkbranche hinaus, wie wir sie heute kennen. Im Automotive-Sektor werden wohl eigene Sende- und Empfangseinrichtungen in den Fahrzeugen verbaut werden. Die These ist, dass neben den bisher bekannten, großen Herstellern von Telekommunikationsausrüstung weitere Anbieter hinzukommen werden. Wesentlich an 5G-Technik ist das Design energieeffizienter Geräte. Um Sensoren im breiten Feld über lange Laufzeiten einsetzen zu können, braucht es einen besonders schonenden Energieverbrauch. 5G unterstützt dies dank eines schlanken Protokolls für die Maschinenkommunikation besonders gut.

Report: Welche Forschungsarbeiten laufen dazu beim AIT derzeit?

Leopold: Unsere Spezialität in Österreich ist die Arbeit am »physical layer« bei Antennen – wie sich etwa ein Funksignal physikalisch verändert, wenn ein Auto mit hoher Geschwindigkeit um eine Kurve fährt. Gerade bei der Datengenauigkeit von 5G müssen wir verstehen lernen, wie sich Funkwellen in unterschiedlichen Szenarien verhalten. Das AIT hat gemeinsam mit Nokia und AVL das vom bmvit geförderte nationale 5G-Forschungsprojekt Marconi ins Leben gerufen, in dem dazu Simulationsmodelle und Funksysteme für die Industrie und für autonome Fahrzeuge entwickelt werden. Wir haben die Testumgebungen und durch diese Forschungsarbeit werden die notwendigen mathematischen Modelle für die Gerätehersteller entwickelt.

Auch in Fabriken ist dies ein Thema: Bewegt sich ein großer Roboter aus Stahl vor eine Antenne, ändert sich das gesamte Sendeverhalten. Es gibt Tricks, wo etwa mit Reflexionen der gewünschte Punkt im Raum erreicht werden kann. Smarte Antennen werden sich selbstständig für das beste Ergebnis konfigurieren. Das benötigt folglich Algorithmen, die automatisch die Antennenausrichtung anpassen.

Wir haben gemeinsam mit Partnern in Österreich in den vergangenen Jahren Kompetenz in unterschiedlichen Bereichen aufgebaut. Auch eine Teststrecke bei Graz spielt hier eine wichtige Rolle, um das Zusammenwirken von autonomen Fahrzeugen und 5G testen zu können. Generell haben Autos, die heute gebaut werden, einen immer stärkeren Kommunikationsanteil – das wiederum ist auch im Zuge von Sicherheitsthemen und Softwaretests eine Paradedisziplin für das AIT. Dann möchte ich das vom bmvit finanzierte nationale Leuchtturmprojekt »IoT4CPS« nennen. In diesem Projekt werden Lösungen für sicherheitsrelevante Anforderungen in den Bereichen vernetzte Fahrzeuge und Industrie 4.0 geschaffen.(Anm. siehe Kasten).

Report: Welche größte Herausforderung sehen Sie prinzipiell – abgesehen von den Lizenzkosten für die künftigen 5G-Betreiber – bei dem Aufbau von 5G-Infrastruktur in Österreich?

Leopold: Mehr Standorte, Antennen und höhere Bandbreiten benötigen wesentlich stärkere Backbones. Das wird in Österreich nur mit einem großen, weit verzweigten Glasfasernetz funktionieren können – dessen Ausbau aber mit Kosten verbunden ist. Leider hatte schon vor Jahren dazu die Koordinierung von Leerverrohrungen dort, wo sowieso aufgegraben worden ist, kaum funktioniert. Im Vorteil  bei zumindest 5G-Services, die eine hohe Bandbreite benötigen, werden diejenigen sein, die heute bereits über eine gute Leitungsinfrastruktur verfügen.

Zuverlässige Fahrzeugkommunikation

Ein internationales Wissenschaftlerteam arbeitet derzeit an neuen Techniken zur Erforschung der Funksignalausbreitung im Millimeter-Wellenbereich zwischen Fahrzeugen. Beteiligt sind neben dem AIT die Technische Universität Wien, die Technische Universität Brünn und die Viterbi School of Engineering der University of Southern California. Die Forschungsarbeiten bilden die Basis für zuverlässige Funkverbindungen zur ultraschnellen Datenübertragung und leisten somit einen wichtigen Beitrag für die Zukunft des autonomen Fahrens von vernetzten Autos, Zügen und Bussen. Das Konsortium beschäftigt sich in einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der Funkwellenausbreitung in neuen Frequenzbereichen sowie mit innovativen Messtechnologien und Algorithmen. Durch ein genaueres Verständnis der Ausbreitungskanäle kann die Kommunikation zwischen Fahrzeugen verbessert werden – eine wichtige Voraussetzung für autonomes Fahren und einen unfallfreien Straßenverkehr.

Leitprojekt für sichere Systeme

Über eine Laufzeit von drei Jahren sollen im Rahmen des fünf Millionen Euro schweren Projektes »IoT4CPS – Trustworthy Internet of Things for Cyber-Physical Systems« neue Lösungen für sicherheitsrelevante Anforderungen in den Bereichen vernetzte Fahrzeuge und Industrie 4.0 geschaffen werden. Der offizielle Startschuss für das österreichweite Leitprojekt wurde am 1. Februar abgegeben. Geleitet vom AIT Austrian Institute of Technology sollen nun österreichweit vorhandene Kompetenzen aus verschiedensten Feldern gebündelt werden. Die entlang der Wertschöpfungskette des Projektes bestehende Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft soll entscheidende Innovationsimpulse für Österreichs zukünftiges Abschneiden im internationalen Forschungsumfeld geben. Das Fachwissen führender nationaler Unternehmen in den Bereichen Innovation, Engineering, Automatisierung und Digitalisierung trifft auf Know-how zu den Zukunftsthemen Internet der Dinge (IoT) und cyber-physikalische Systeme (CPS).