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Forschung

Das digitale Abbild der Wirklichkeit

Der Mobilfunkstandard 5G wird auf dem TU-Campus entwickelt und getestet

Thomas Wiegand im Showroom des ­Heinrich-Hertz-Instituts
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„Wenn Sie heute auf Ihr iPad tippen, bekommen Sie typischerweise die gewünschten Daten innerhalb von 100 Millisekunden – für den Alltag reicht diese Reaktionszeit normalerweise aus“, findet Thomas Wiegand. „Derzeit arbeiten wir am Taktilen Internet. Es soll Kommunikation mit Verzögerungszeiten von 10 Millisekunden oder weniger ermöglichen. Anwendungen dafür finden sich unter anderem im Autonomen Fahren, in der Mensch-Maschine-Kommunikation oder in der Kommunikation zwischen Maschinen zum Beispiel in der Produktion.“ Das ist die Dimension, über die Thomas Wiegand reden will, Chef des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts (HHI) und Professor an der TU Berlin. Er gehört nach der kürzlich veröffentlichten „Thomson Reuters Most Influential Scientific Minds“-Liste zu den weltweit meistzitierten Wissenschaftlern der ­Jahre 2014/15.

Thomas Wiegand ist einer der weltweit renommiertesten Experten der Nachrichtenübertragungstechnik, eines der wichtigsten Zukunftsthemen, denn Daten sind der Rohstoff der Zukunft. Riesige Datenmengen und extrem hohe Übertragungsraten werden künftig für die Funktion der „Smart Cities“ weltweit benötigt. Die Fraunhofer-Institute HHI und FOKUS entwickeln gemeinsam ein 5G-Testsystem. Dafür haben beide Institute eine Anschubförderung von je 250 000 Euro von der Senatsverwaltung für Wirtschaft, Technologie und Forschung erhalten.

„5G“ steht für den Mobilfunkstandard der fünften Generation. Doch was ist das überhaupt? „Ein funktionierendes Mobilfunknetz basiert auf einem sehr gut funktionierenden Glasfaser-Breitband-Festnetz“, erklärt Thomas Wiegand. „Nur den letzten Teil der Wegstrecke legt das Signal über elektromagnetische Wellen durch die Luft zurück – über Antennen von einem Zugangspunkt des Netzes zum Endgerät. Die Luftschnittstelle ist der Abschnitt der Übertragung, welcher die meiste Energie pro Bit erfordert, was im Betrieb des Netzes sowohl die ökonomischen als auch die ökologischen Kosten darstellt. Daher ist es sinnvoll, den Luftweg zu verkürzen und das Festnetz möglichst dicht an den Mobilfunknutzer heranzuführen. So ist also ein möglichst umfangreicher Glasfaser-Breitbandausbau vonnöten.“

Das hat die Bundesregierung erkannt und eine „Breitbandagenda“ ins Leben gerufen, die auf den Ausbau des schnellen Internets in ganz Deutschland bis 2018 zielt. Doch was ist dafür notwendig? Was fehlt? Was ist technisch möglich?

Berlin ist als Metropolenregion zwar weit im Ausbau fortgeschritten, aber lange nicht weit genug. „Geplant sind 50 Megabit – für eine Stadt wie Berlin völlig uninteressant“, lautet das Urteil von Wiegand. „Wir brauchen flächendeckend mindestens 200 Megabit pro Sekunde für jeden Teilnehmer – im Festnetz. Und dann muss die Mobilfunk-Infrastruktur angebunden werden.“ Weltweit ist Deutschland nur auf Platz 22 im Breitbandausbau – hinter europäischen Regionen wie zum Beispiel Malta. Das ist fatal für eine Industrienation der Spitzenklasse. „Die Etablierung einer Testumgebung für 5G-Technologien könnte Berlin im globalen Wettbewerb ins Spitzenfeld der Digitalstandorte katapultieren.“ 

Der flächendeckende Festnetzausbau ist vor allem deshalb eine unabdingbare Voraussetzung für die moderne Stadt, weil die Geschwindigkeit der Datenübertragung nicht nur ein technisches, sondern auch ein Energieproblem darstellt. Die Energiebilanz pro übertragenem Bit ist berechenbar. So kostet die Übertragungstechnik etwa 2,5 Prozent der Energieausgaben. „Bei der angestrebten 1000-fach erhöhten Geschwindigkeit der Datenübertragung bräuchten wir also das 25-fache vom derzeitigen Gesamtenergieaufwand, wenn der Energieverbrauch pro Bit gleich bliebe“, so Thomas Wiegand. So muss er mit seinem Forschungsteam also gleichzeitig die Aufgabe lösen, den Energieverbrauch pro Bit drastisch zu reduzieren.

Zunächst muss also die Luft-Distanz zwischen Glasfaser und Endgerät möglichst klein gehalten werden, da die Übertragung über Glasfaser wesentlich energieeffizienter ist als die über die Luft. Dort, wo das Datenaufkommen sehr hoch ist, werden daher viele Basisstationen für kleine Mobilfunkzellen gebraucht. Doch wie reagiert unsere Gesundheit auf eine so hohe Dichte von elektromagnetischen Wellen? „Dem begegnen wir mit einer neuen Technologie, der ‚wireless fibre‘, der drahtlosen Faser. Sogenannte MIMO-Antennen können durch eine sogenannte ‚Antennenkeule‘ – übrigens auch am HHI und an der TU Berlin entwickelt – zielgerichtet ein bestimmtes Gerät erreichen.“ Bislang werden in einer Mobilfunkzelle, dem sogenannten Sektor, alle darin befindlichen Mobilfunkgeräte angesprochen – und alle, bis auf eins (nämlich das angesprochene), erhalten dieses Signal als störende Interferenz und es wird unnötige Energie in den gesamten Sektor abgestrahlt. Das nennt man Interferenz. Riesige Mengen unnötiger Strahlung und die Interferenzen werden also durch den Einsatz der Massive-MIMO-Antennen vermieden. Die Abmessung von Massive-MIMO-Antennenfeldern ist invers proportional zur Frequenz. Da diese Technologie für kleine Mobilfunkzellen mit hoher Frequenz im Millimeterwellenbereich (z. B. 28 oder 60 GHz) eingesetzt wird, werden die Abmessungen der Antennenfelder (Arrays) handlich klein und die Dämpfung durch die Luft bei diesen hohen Frequenzen (6 GHz oder mehr) immer noch akzeptabel. Denn die Antennen der Basisstationen müssen noch eine weitere Bedingung erfüllen: Sie sollen mit dem Stadtraum architektonisch verschmelzen und nicht hässlich hervorstechen. Das wiederum sollen neue, sogenannte „Funkmöbel“ erreichen: an Wänden, Lichtsignalmasten, Bushaltestellen.

Das Netz der Berliner SG-Forschungslandschaft: Es reicht vom Fraunhofer-Institut FOKUS zum Heinrich-Hertz-Institut, zum TU-Hauptgebäude, weiter zum TU-Hochhaus und zurück
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Eine weitere Herausforderung dieser Zukunftstechnik ist das „Handover“, also die Signalübergabe von einer Mobilfunkzelle in die nächste, wenn sich der Empfänger bewegt. Die MIMO-Array-Antennen benötigen eine Sichtachse, was im urbanen Raum eine hohe Anzahl an Antennenstandorten erfordert. „Um Abbrüche der mobilen Signalübertragung zu vermeiden, muss man vorhersagen, wie sich der Teilnehmer verhält, damit man ihm von der am besten positionierten Antenne ein Signal schicken kann – das ist besonders wichtig im Verkehr oder beim Roboter, der in der Fabrik umherfährt“, erklärt Thomas Wiegand. Solche Vorhersagen sind Forschungsinhalt des Maschinellen Lernens. „Hier arbeiten wir interdisziplinär mit TU-Professor Klaus-Robert Müller, dem Spezialisten für Maschinelles Lernen, zusammen.“

„Wir arbeiten also an einer Reduzierung der Strahlenbelastung der Bevölkerung bei gleichzeitig stark erhöhter Datenübertragungsrate“, fasst Wiegand zusammen. „Das heutige Mobilfunknetz ist allerdings nicht für die kurzen Reaktionszeiten des Taktilen Internets entworfen. Es war ursprünglich für Medien gemacht, für Nachrichten, die Verzögerungen im Millisekundenbereich nicht zwingend benötigten. Nun aber überlegen wir, die Steuerung von Maschinen oder von selbstfahrenden Autos über das Netz durchzuführen, um mehr Sicherheit zu erzeugen oder um im Notfall eingreifen zu können.“
Die geringen Reaktionszeiten des Taktilen Internets können nur erreicht werden, wenn die Datenverarbeitungssysteme vor Ort sind. Weiterhin können die Datensysteme vor Ort kontinuierlich über ihre Umgebung „lernen“. Zum Beispiel kann die Sicherheit in einer Umgebung durch das Lernen der Situationen vor Ort verbessert werden. Gefährliche Situationen durch spielende Kinder, die auf die Straße laufen, oder durch aus- und einparkende Autos können ortsspezifisch erfasst werden. Hier spielt das Maschinelle Lernen eine enorm wichtige Rolle. Insgesamt ist das Thema 5G eine Mischung von Informations- und Kommunikationstechnik, Datenverarbeitung und Maschinellem Lernen. Das 5G-Netz ist die mobile Infrastruktur für das digitale Abbild unserer Umgebung und der Prozesse und Abläufe und damit auf vielen Gebieten in Wirtschaft und Wissenschaft einer der wichtigsten Motoren für die Innovation.

Berlin sei prädestiniert für diese Forschung, so Thomas Wiegand, denn: „Mit Giuseppe Caire in der Kommunikationstechnik, Slawomir Stanczak in der Netzwerk-Informationstheorie, Anja Feldmann in den Netzwerk-Architekturen, Klaus-Robert Müller im Maschinellen Lernen und anderen hat die TU Berlin europaweit eine der meistzitierten Gruppen Forschender im Bereich der Informationstechnologien. Diese exzellenten Forschungskapazitäten werden durch die intensive Kooperation mit dem neuen Einstein-Zentrum ,Digitale Zukunft‘, den Fraunhofer-Forschungsinstituten und dem Fraunhofer-Leistungszentrum ,Digitale Vernetzung‘ verstärkt.“

Patricia Pätzold, "TU intern" 18. November 2016

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