Heutige Mobilfunktechnologien für viele künftige Anwendungen zu langsam

Echtzeitfähige mobile Datenübertragung ist die Grundlage für vielfältige neue Anwendungen, wie z.B. für die Kommunikation zwischen Fahrzeugen oder zwischen Maschinen sowie für das „taktile Internet“. Für diese Anwendungen müssen sehr viele Teilnehmer bzw. Sensoren mit sehr geringen Signallaufzeiten, sogenannten Latenzzeiten, im Millisekundenbereich kommunizieren und das mit sehr hoher Zuverlässigkeit, sprich Ausfallsicherheit der Daten- und Signalverbindungen. Heutige Funktechnologien können diese Forderungen nicht erfüllen. So wurde z.B. LTE hauptsächlich für hohe Datendurchsätze entwickelt.

Fast wireless arbeitete an latenzminimierten Basistechnologien für 5G

Im Projekt fast wireless wurden daher latenzminimierte Basistechnologien für die fünfte Generation im Mobilfunk (5G) erforscht, entwickelt und bewertet, um mobile Geräte und Steuereinheiten echtzeitfähig zu vernetzen. Ein Schwerpunkt lag in der Entwicklung von Übertragungskonzepten, die eine geringe Latenz und eine hohe Zuverlässigkeit erlauben.

Beiträge des IMMS für künftige Lösungen, die mit 5G kommunizieren werden

Das IMMS hat Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit von Betriebssystemen künftiger Lösungen erarbeitet, die mit 5G kommunizieren werden, die Projektpartner bei der Definition geeigneter Schnittstellen zwischen den Kommunikationsschichten unterstützt und Komponenten entwickelt, die eine Partitionierung latenzkritischer Elemente in Hard- und Software ermöglichen. Die im Projekt entwickelten Technologien hat das IMMS in einen Demonstrator einfließen lassen und die erarbeiteten Algorithmen der Projektpartner umgesetzt.

Da für Prozessoptimierungen künftig Maschinen oder Roboter in geschlossenen Steuerungssystemen mit per 5G übertragenen Informationen gesteuert und geregelt werden sollen, hat das IMMS gemeinsam mit der TU Dresden ein inverses Pendel als Demonstrator realisiert. Dieser verdeutlicht, dass eine niedriglatente 5G-Funkstrecke zwar Voraussetzung für neue Anwendungen ist, aber zusätzlich die beteiligte Hard- und Software echtzeitfähig ausgestaltet werden muss.

Regelung eines inversen Pendels mit niedriglatenter Funkübertragung demonstriert die neuen Übertragungskonzepte für 5G

Ziel ist es, das inverse Pendel in seiner instabilen Ruhelage aufrecht zu halten. Das neun Zentimeter lange Pendel steht frei auf einer 0,2 mm schmalen Kante auf einer bewegten Linearachse, vgl. Abbildung 1. Damit das so bleibt, wird das Pendel von einer Kamera beobachtet. Um es auszubalancieren, wird dessen Winkel permanent mit 5G-Mobilfunk in Echtzeit an die Bewegungssteuerung der Achse gefunkt. Mit heutigen Mobilfunk-Technologien wie LTE würden Informationen zu Abweichungen zu spät ankommen und das Pendel umkippen. Die mit dem Demonstrator realisierten Latenzen liegen mit 100µs pro Datenpaket weit unter der für 5G geforderten Zielgröße von einer Millisekunde. Damit wurden nicht nur die entwickelten Algorithmen und Kommunikationskomponenten in einem Gesamtsystem prototypisch implementiert und die praktische Anwendung einer niedriglatenten Kommunikation im zellularen Mobilfunk aufgezeigt. Die Bedeutung einer niedriglatenten Kommunikation kann damit auch fachunkundigem Publikum verdeutlicht werden.