Neben dem vielfach diskutierten Referenzeinsatzfall von stationären 5G-Campusnetzen sind auch 5G-Campusnetze für den temporären Einsatz zukünftig immer dann von sehr großem Interesse, wenn lokal überaus anspruchsvolle Anforderungen an das Kommunikationsnetz zu erfüllen sind. Ein Beispiel sind internationale Großveranstaltungen (Formel1, America‘s Cup), bei denen große Datenmengen für den Veranstaltungsbetrieb wie auch für die „Live“-Einbindung des Publikums mit niedrigen Latenzen und großer Verlässlichkeit gefordert werden. Auch im Bereich der automatisierten Intralogistik ist der nicht-stationäre, ad-hoc 5G-Netzbetrieb für die kontinuierliche Anpassung zuverlässiger Netzlösungen an sich sehr schnell ändernde Anwendungsumgebungen zwingend erforderlich. Die daraus erwachsenden Herausforderungen für die bedarfsgerechte Planung und Selbstkonfigurationsfähigkeit des Netzes sollen im Rahmen des Projekts Plan & Play adressiert werden, das mit Mitteln des Landes NRW durch das Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie (MWIKE) im Rahmen des Förderwettbewerbs 5G.NRW gefördert wird. Das Konsortium besteht neben dem Konsortialführer TU Dortmund aus Riedel Communications, Fraunhofer IML und dem assoziierten Partner PIDSO.
Zuverlässige ad-hoc 5G-Campusnetze für den temporären Einsatz
Für Großveranstaltungen, wie z.B. Konzert- oder Rennsportevents, sind trotz einer geringen aktiven Laufzeit von wenigen Tagen hinsichtlich des unterstützenden Kommunikationsnetzes, jeweils sehr hohe Anforderungsprofile zu erfüllen. Zur Umsetzung eines Live-Streams aus mehreren Kameraperspektiven innerhalb eines Rennfahrzeugs sind z.B. multiple, unabhängige und hochaufgelöste Videosignale trotz höchster Geschwindigkeiten zeitsynchron und in Echtzeit zu übertragen. Ein disjunktes Beispiel sind hochdynamische Intralogistikszenarien mit automatisierten Hochgeschwindigkeitstransportplattformen, in denen wechselnde Waren-gruppen und angepasste Lagersituationen in veränderlichen, harschen Funkumgebungen resultieren. Auch hier entsteht ein Bedarf eines immer wieder neu zu konfigurierenden, drahtlosen Hochleistungsnetzes, welches ad-hoc sehr hohe Anforderungen in Bezug auf die Selbstorganisation und techn. Leistungskenndaten zu erfüllen hat. Weitere mögliche Anwen-dungsfelder für temporäre Hochleistungsnetze liegen z.B. im Bereich der digitalisierten Agrar- und Bauwirtschaft oder auch im Rettungswesen. Die 5G-Technik ist generell prädestiniert, diese Anforderungen zu erfüllen, jedoch sind existierende Lösungen aus folgenden Gründen unzureichend.
Aktuelle Planungsmethoden sind sehr gut für den langfristigen und zuverlässigen Betrieb von Zellularfunknetzen ausgelegt, gehen jedoch mit großen Einschränkungen für temporäre Planungsziele einher: einerseits ist ein hoher Ressourcenaufwand und Experten-Knowhow für die Bedienung spezialisierter Werkzeuge notwendig, andererseits wird der hohe manuelle Aufwand und der benötigte Erfahrungsschatz für die Feinabstimmung und -kontrollen dem temporären Einsatz nicht gerecht. Als Konsequenz ist die notwendige Planungsgüte bei einer Vielzahl kurz aufeinanderfolgender oder paralleler temporärer Netzgebiete (z.B. für Veranstaltungen) aktuell nicht kosteneffizient zu verwirklichen. Weiterhin bestehen, bedingt durch den kurzfristigen Charakter, keine Spielräume, um etwaige Versorgungslücken nachträglich über manuelle, zeitaufwändige Iterationen auszubessern.
Aktuell verfügbare 5G Mobilfunksysteme sind für den bundesweit flächendeckenden Einsatz als Zellularfunknetze mit Millionen von Kunden optimiert. Entsprechende Mobilfunknetzbetreiber-orientierte Makrolösungen sind daher in der Regel ohne entsprechende Fachkenntnis nicht bedienbar und auch technisch nicht für den kleinflächigen In- und Outdooreinsatz anwendbar. Darüber hinaus sind private Mobilfunknetzlösungen bis heute kaum verfügbar, da vor der durch die BNetzA geschaffene Möglichkeit lokaler 5G Netze ein Einsatz im lizenzierten Frequenzband nur mit Sondergenehmigung möglich war.
Vor dem Hintergrund der oben dargestellten Ausgangslage und Problemstellung besteht für viele potentielle disjunkte Anwender temporärer Campusnetze ein umfangreicher Handlungsbedarf. So ist Planung und Betrieb einer Vielzahl kurz aufeinanderfolgender Großveranstaltungen (z.B. Video- und Telemetrieübertragung im Rennsportumfeld) oder hochdynamischer Intralogistikumgebungen, mit jeweils bedarfsgerechter sowie höchster Planungsgüte und Stabilität, über konventionelle Planungsmethoden und Netzinfrastrukturen nicht kosteneffizient zu realisieren. Genau an dieser Stelle setzt das hier beschriebene Projektvorhaben an. Im Rahmen von Plan & Play werden die notwendigen Voraussetzungen für Planung, Aufbau und zuverlässigen Betrieb temporärer 5G Campusnetze geschaffen. Als Grundlage des Innovationsgehaltes sowie der übergreifenden Verankerung und Verstetigung werden die Kerninnovationsbereiche der vorliegenden Projektidee illustriert (vgl. Abbildung 1) und nachfolgend im Detail dargestellt.
Kerninnovation 1 – PLAN: Entwicklung einer KI-basierten automatisierten Netzplanung
Die erste Kerninnovation des vorliegenden Vorhabens setzt als Basis auf der ersten Version des sogenannten 5G Campusnetzplaners auf, der im Rahmen des Competence Center CC5G.NRW vom Plan & Play Konsortialführer TU Dortmund entwickelt wurde. Der eingeführte, Web-basierte Campusnetzplaner soll zu einem vollwertigen Netzplanungswerkzeug für temporäre ad-hoc 5G-Campusnetze ausgebaut werden, sodass potentielle Anwender bei der detaillierten Bestimmung der benötigten Netzinfrastruktur effektiv unterstützt werden. Die zum Einsatz kommenden Netzplanungs-funktionen bauen auf aktuellste Algorithmen des Online-Lernens und werden im Rahmen eines agilen Forschungsprozesses in Wechselwirkung mit dem Projektsegment „Play“ in zwei disjunkten Anwendungsfeldern erprobt und optimiert. Hierzu wird ein auf Reinforcement Learning basiertes maschinelles Lernverfahren eingesetzt, welches in kürzester Zeit automa-tisiert Netzmodelle (on-the-fly) generieren kann. Die einzuhaltende Planungsgüte wird über eine schrittweise Validierung unterschiedlicher Realumgebungen ermöglicht.
Kerninnovation 2 – PLAY: Ertüchtigung von 5G-Lösungen für den temporären Einsatz
Die übergreifende Zielsetzung der Netzplanung steht in enger Wechselwirkung mit der für den Betrieb notwendigen 5G Ende-zu-Ende Campusnetzlösung. Dabei gilt es die notwendigen Integrationsschritte und darüberhinausgehenden Weiterentwicklungen, die für die Ertüchtigung von 5G Campusnetzlösungen für den temporären Einsatz notwendig werden, umzusetzen. Zum einen sollen im Innovationsfeld „PLAY“ insbesondere verfügbare private 5G Campusnetzlösungen für den ad-hoc Einsatz und den temporären Betrieb technisch ertüchtigt werden. Wesentliche Anforderungen bestehen hierbei in einer anwendungsgerechten Härtung tempo-rärer 5G Lösungen für den Einsatz in harschen Einsatzumgebungen. Dazu zählen in erster Instanz sehr hohe Anforderungen an robuste, wetterfeste Lösungen (Rugged), die je nach Vor-Ort Situation zusätzlich einen autarken, batteriebetriebenen Betrieb unterstützen müssen (Schwarzfallfestigkeit). Darüber hinaus werden höchste Anforderungen an das Potential der Selbstkonfiguration gestellt. Je nach Fachkenntnis der Anwender und Größe des zugrunde-liegenden Szenarios müssen neue Netzkonfigurationen in jeweils entsprechender Zeit ver-fügbar gemacht werden. Dies muss bei kleineren Netzen geringerer Komplexität in wenigen Minuten (z.B. hochdynamische Intralogistik), bei hochkomplexen, facettenreichen, sowie größeren Campusnetzgebieten, die sehr hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit, Latenz und Verfügbarkeit genügen müssen (z.B. Großveranstaltungen), in wenigen Tagen erfolgen. Dazu werden zunächst existierende Ende-zu-Ende 5G-Mobilfunklösungen evaluiert. Ausgewählte Lösungen werden für den Betrieb als temporäres Campusnetz ertüchtigt und hinsichtlich des Durchsatzes, der Zuverlässigkeit und der Latenz aufgrund der Kenntnis der exakten (vergleichsweise niedrigen) Teilnehmerzahlen optimiert
Am 16. November 2023 fand im Oktogon in Essen die vierte 5G.NRWeek 2023 des Competence Center 5G.NRW statt. Dort wurden neben Keynotes und Paneldiskussionen auch spannende Impulsvorträge zu verschiedensten 5G-Themen und -Projekten vorgetragen. Das Plan & Play-Konsortium hat dabei in einem Impulsvortrag den 5G Campusnetzplaner Pro sowie den Realaufbau am Nürburgring vorgestellt, der als Beispiel für den Einsatz von 5G im Rahmen einer Großveranstaltung im Rennsport umgesetzt wurde.
Zusätzlich wurde der Campusnetzplaner Pro als Live-Demo in der parallel stattfindenden Exhibition angeboten. Dabei erfreute sich das automatisierte KI-basierte Netzplanungstool sehr großem Interesse bei den Teilnehmenden, die die Notwendigkeit eines einfach bedienbaren und frei verfügbaren Angebots, wie den Campusnetzplaner Pro, herausgestellt haben.
Bei der diesjährigen 5G.NRWeek wurde das Plan & Play Projekt sehr breit durch einen Demonstrator vertreten. In der gemeinsamen Demo mit dem Fraunhofer IML hat die TU Dortmund eine Netzplanung für ein Intralogistik-Szenario durchgeführt (PLAN) und das resultierende Campusnetz für die Einbindung hochdynamischer Intralogistik-Applikationen aufgebaut (PLAY). Zusätzlich wurde die Intralogistik-Anwendung (Loadrunner-Plattformen) 5G-fähig gemacht, sodass diese über das ad-hoc 5G-Campusnetz gesteuert werden konnten.
Der Demonstrator wurde unter anderem der NRW-Wirtschaftsministerin Mona Neubaur sowie anderen 5G.NRW-Projekten und Besuchern aus Industrie und Forschung im Rahmen des Competence Center 5G.NRW vorgestellt. Zum anderen wurde das Projekt auch in der begleitenden Exhibition für alle Konferenzteilnehmer zur Diskussion gestellt. Hier wurde ein aktuelles Funktionsmuster des Campusnetzplaner Pro und ein begleitendes Erklärvideo, sowie ein Projektposter präsentiert.
Der Lehrstuhl für Kommunikationsnetze der TU Dortmund präsentierte bei der gemeinsamen Vor-Ort-Demonstration bei unserem Projektpartner Riedel am 08.12.2021 einen Überblick über erste experimentelle Forschungsergebnisse des Plan & Play-Projekts. Wir konnten die Notwendigkeit einer bedarfsgerechten Konfiguration und Planung privater 5G-Netze anhand einer herunterskalierten Rennsport-Emulation veranschaulichen. Dazu wurde eine Rennsituation mit einer neuartigen und 5G-erweiterten automobilen Entwicklungsplattform im Maßstab 1:10 eingesetzt, um die Auswirkungen einer bedarfsgerechten 5G-Netzkonfiguration für temporäre Veranstaltungsszenarien zu demonstrieren.
Minister Prof. Andreas Pinkwart konnte aus unserem mobilen 5G-Labor heraus ein 5G-ferngesteuertes Rennfahrzeug steuern und erlebte persönlich die Auswirkungen von Latenzzeiten und die Notwendigkeit hochzuverlässiger Leistungsgarantien in einem Wettbewerb gegen ein autonomes Rennfahrzeug am Beispiel unserer Plan & Play Fernsteuerungsanwendung.
Auf der diesjährigen 5G.NRWeek, welche vom Competence Center 5G.NRW nun bereits zum zweiten Mal vom 06.-10. September durchgeführt wird, ist auch das Plan & Play Projekt vertreten. Im Rahmen der sogenannten Virtual Exhibition präsentieren zahlreiche, hochkarätige Projekte und Unternehmen aus NRW und Umgebung virtuelle Austellungen in Form von kurzen Videos.
Neben der Virtual Exhibition können auch diesmal tägliche Vorträge und Konferenzen zu den verschiedensten Themen Rund um 5G, aber auch 6G als Ausblick in die Zukunft besucht werden.
Das Projekt Plan & Play hat ihren Kick-Off erfolgreich durchgeführt. Das gesamte Konsortium freut sich auf eine gute und produktive Zusammenarbeit und möchte an dieser Stelle regelmäßig über Aktuelles im Projekt informieren.
Im Plan & Play Projekt soll die Planbarkeit und Umsetzung zuverlässiger ad-hoc 5G-Campusnetze für den temporären Einsatz erforscht und erprobt werden. Dabei stehen vor allem die Referenzszenarien Intralogistik und Eventbereich im Vordergrund. Mehr über das Projekt erfahren Sie hier.
