5G in der Praxis

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5G in der Praxis: autonom fahren und transportieren, Maschinen kabellos vernetzen, schneller kommunizieren – in den Reallaboren in Aachen ist die neue Technologie schon Alltag

Autos fahren autonom durch die Stadt, auf der Landstraße, und sie bewegen sich völlig selbständig sogar beim Spurwechsel auf der Auffahrt zur Autobahn. Autonome Kleinfahrzeuge beliefern Läden in den Innenstädten. Maschinen in großen Produktionshallen arbeiten ohne Kabelverbindung in bislang unvorstellbar hoher Geschwindigkeit und Sicherheit, die Produktivität wird drastisch erhöht. In der Kommunikation werden riesige Datenmengen in einem Bruchteil der heutigen Zeit heruntergeladen. Die neue Technologie 5G macht es möglich.

Das ist zwar noch nicht Alltag, aber dennoch schon Wirklichkeit: in den ganz konkreten Reallaboren in Aachen. Der RWTH Aachen Campus, eine einzigartige Verbindung in gemeinsamen Forschungscentern von Hochschul-Instituten und Industriepartnern, zählt zu den größten 5G-Campus Standorten in Europa. Mit dem von der Bundesregierung geförderten Projekt 5G-Industry Campus Europe zählt Aachen zu den sechs Modellregionen in Deutschland. Aachen bildet zudem einen besonders geförderten Schwerpunkt in Nordrhein-Westfalen. „Wir haben es geschafft, dass unsere Demonstrationsfabrik Aachen zur 5G-Modellfabrik avancierte. Eine Maßnahme, die von Minister Andreas Pinkwart persönlich unterstützt wird. Er hat sich vorgenommen, NRW zu einem Vorzeigestandort für 5G auszubauen.“, erläutert Prof. Volker Stich, Leiter des Clusters Smart Logistik und Geschäftsführer vom Forschungsinstitut für Rationalisierung (FIR), ein Partner des 5G-Industry Campus Europe.

„Forschung muss zu Innovationen führen.“ Der Satz beschreibt in aller Kürze die Philosophie des RWTH Aachen Campus. Dr. Klaus Feuerborn, Geschäftsführer der RWTH Aachen Campus GmbH, sieht den Campus mit dieser Strategie weit vorne und proklamiert ein entsprechendes Selbstbewusstsein. „Wenn wir Innovationen erzeugen wollen, dann müssen wir unsere Forschungsergebnisse auch zur Anwendung bringen. Das haben wir schon super hinbekommen, und das entwickeln wir mit 5G weiter.“ Es stimme zwar, dass Forschung und Lehre und nicht Produktentwicklung primäre Aufgaben der Hochschule seien, aber: „Das hat immer Licht und Schatten. Hochschule muss Forschungsergebnisse bis zu einer gewissen Schwelle tragen.“ Das Elektroauto e.GO Life sei ein Beispiel dafür. „Das hat in dieser Dimension bisher keine andere Hochschule in Deutschland geschafft.“

Auch Niels König, Abteilungsleiter Produktionsmesstechnik am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT und Projektleiter 5G-Industry Campus Europe, hat den Blick aufs konkrete Objekt. „Wir entwickeln keine Produkte. Wir denken aber, dass im Zusammenschluss mit der Industrie – und das genau machen wir – eine gute Basis besteht, um sehr frühzeitig neue Produkte zu entwickeln und zu erproben.“ Auf dem Campus ist 5G greifbar.

Die 5G-Modellfabrik, die vom Center Connected Industry aufgebaut wurde, befindet sich in der Demonstrationsfabrik im Cluster Smart Logistik auf dem Campus Melaten. „Die Demonstrationsfabrik ist für uns häufig der erste Aufschlagpunkt für eine Lösung“, sagt Christian Maasem. Er leitet das Center Connected Industry, das mit Mitgliedern und Partnern aus Forschung und Industrie die einzigartige Testumgebung in Aachen nutzt. „Wir haben hier eine ideale Produktionsumgebung, auf die wir größtmöglichen Einfluss haben – eine Landschaft von Sensorsystemen und Kommunikationstechnologien, die in dieser Breite und Vernetzung sonst kaum irgendwo auf der Welt zur Verfügung stehen. Und das häufig schon mit den neuesten Versionen, die noch gar nicht auf dem Markt sind.“

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Die Demonstrationsfabrik kann auch von kleinen Unternehmen genutzt werden. „Prinzipiell kann sich das jeder anschauen und eine Tour mit uns machen“, bietet Christian Maasem an. Das Center entwickelt gerade dafür entsprechende Dienstleistungen, das FIR wird dabei oft einbezogen und unterstützt das Center bei der Entwicklung von Geschäftsmodellen.

5G ist eine riesige Chance für den Mittelstand. „Dieser neue Mobilfunkstandard ist definitiv eine Schlüsseltechnologie. Die Kernfrage lautet: Wo stecken die zahlreichen neuen Anwendungspotenziale? Wo kann man sie anfassen, fühlen, schmecken, riechen, ausprobieren?“ fragt Volker Stich rhetorisch. Der Professor ist Leiter des Clusters Smart Logistik. „Unser Job ist es, wenn eine neue Technologie und neue Potenziale auf den Markt kommen, sie für die Industrie so greifbar zu machen, dass diese sie konkret anwenden kann. Ich brauche im Millisekunden-Bereich Rückkopplungen aus der Maschine, wenn ich in hoher Geschwindigkeit fräse, drehe, bohre. Das sind die sogenannten Latenzen, das Antwortzeit-Verhalten. Und wenn ich ein autonomes System habe, also etwa autonom Fahrzeuge, ist das zunächst nichts anderes, ich brauche nicht unbedingt den Millisekunden-Bereich, aber eine verlässliche Rückkopplung. Das ist das Schöne bei 5G.“ Volker Stich sieht seine Arbeit als „Schnittstelle zwischen der Industrie und der Forschung. Unsere Aufgabe ist es, praxisnahe Anwendungen umzusetzen.“

In der Demonstrationsfabrik gibt es einen autonomen Roboter, der über die IT-Systeme gesteuert wird und quer durch diese Fabrik fährt, ohne dass sich jemand um ihn kümmern muss. Volker Stich: „Er hat die unangenehme Angewohnheit, extrem langsam zu fahren, damit er bloß keinen verletzt. Das ist die Praxis heute. Wir geben nun diesem Roboter Sensorpunkte und informieren ihn, dass sich von links jemand der Fahrstrecke des Roboterfahrzeuges nähert. Daraufhin sollte das Fahrzeug sofort seine Geschwindigkeit herabsetzen. Wenn sich der Jemand dann abwendet und weggeht, könnte das Fahrzeug seine Geschwindigkeit wieder erhöhen.“

Die Sicherheit von Personen spielt in der Lagerlogistik bei schlecht einsehbaren Kreuzungsbereichen mit hohen Lagerregalen eine große Rolle. Hier wird in Aachen intensiv getestet um festzustellen, welche Sensorik gebraucht wird, damit man tatsächlich „um die Ecke“ schauen kann. Eine Kombination aus Safety-Infrastruktursensorik, sicherer Datenübertragung über 5G und Datenfusion kann hier helfen. Ziel ist es, kritische Situationen zu verhindern und gleichzeitig die Effizienz des Transportprozesses zu erhöhen.

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Deutsche Telekom/T-Systems

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Was wird dank 5G besser? Christian Maasem: „Mit 5G kann die enorme Menge an Sensordaten von Transportfahrzeugen und Infrastruktur in Echtzeit erfasst und ortsnah ausgewertet werden, das so nannte Edge Computing. Bisher müssen Transportfahrzeuge in Produktion und Logistik häufig mit stark limitierter Maximalgeschwindigkeit fahren, um Kollisionen zu vermeiden. Mit 5G können die Fahrzeuge deutlich effizienter und smarter bei gleicher oder höherer Sicherheit agieren. Die 5G-Technologie macht die Echtzeit möglich. Sie kann direkt vor Ort auswerten und die Daten zurückspielen, so dass ein Steuer- oder Bremsbefehl erteilt wird, ohne dass es zu Schäden kommt. Andere Technologien, so Maasem, seien da nicht zuverlässig genug.

Automatisiertes und autonomes Fahren macht sichere und komfortable Mobilität möglich. Die Aachener Forscher sind davon fest überzeugt. Und mit 5G werde es noch sicherer, da die Datenraten erhöht und die Reaktionszeiten minimiert würden. Für Timo Woopen und Laurent Klöker vom Institut für Kraftfahrzeuge ist das eine spannende Herausforderung, eine dreifache sogar. Teststrecken und -aufbauten gibt es in drei verschiedenen Umgebungen: Stadt, Land und Autobahn. Aachen fährt vor und voran: zunächst städtisch mit 46 Infrastruktur-Messstationen in Aachen an bereits bestehenden Beleuchtungsmasten auf einem 2,4 Kilometer langen Rundkurs auf dem Campus Melaten mit Campus Boulevard, Forckenbeckstraße und Seffenter Weg. Auf der B56 in der Nähe des Testcenters Aldenhoven und an der A44 am Autobahndreieck Jackerath werden jeweils elf neue Infrastrukturmessstationen entlang einer Strecke von einem Kilometer errichtet. Hier werden neue Masten zur Befestigung der Sensorik am Straßenrand aufgebaut. Laurent Klöker: „Damit können wir diverse Daten in unterschiedlichen Verkehrssituationen aufzeichnen.“

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Automatisierte Multiobjekterkennung und -klassifizierung

Über elf Millionen Euro stehen für das Projekt Korridor für neue Mobilität Aachen – Düsseldorf (ACCorD) bis Ende September 2021 zur Verfügung, 9,57 Millionen beträgt der Anteil des Bundes (Ministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur). „Ende Juni konnten wir in Aachen starten“, meint Laurent Klöker. Im Bereich Landstraße und Autobahn wird es voraussichtlich zwei Monate länger dauern, ehe dort die Tests beginnen können.

Die Fahrzeuge, die getestet werden, haben natürlich immer einen Sicherheitsfahrer mit an Bord. Da geht es primär um das Testen von Teilfunktionen, nicht um eine komplett automatisierte Fahrzeug-Führung, sondern beispielsweise um einen automatisierten Spurwechsel auf der Autobahn, der getestet wird – unter Einbeziehung einer Autobahnauffahrt. Timo Woopen: „Wir sind noch weit davon entfernt, mit Hilfe solcher Testfelder ohne Sicherheitsfahrer unterwegs zu sein.“

Das Problem sind aber weniger die autonomen Fahrzeuge, sondern die herkömmlichen mit Fahrerin und Fahrer im mixed traffic. Timo Woopen: „Wenn wir nur Roboter unter sich haben, kriegt man das sicher hin. Man sieht es ja schon in automatisierten Fabriken. Der Mensch ist dann tatsächlich eher der Störfaktor. In der Forschung geht es jetzt darum, dass sich die Systeme in einen gemischten Verkehr einbringen können, dass sie nicht zum Hindernis werden wie aktuelle Shuttle-Konzepte, die in niedrigen Geschwindigkeitsbereichen von etwa 15 km/h agieren. Das wird für den deutschen Autofahrer eher ein Verkehrshindernis als eine sinnvolle Ergänzung.“

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Wann ist das Produkt marktreif? Zum Zeitpunkt können die Forscher noch wenig sagen. Nur so viel: „Erste Anwendungsfälle wie automatisierte Shuttles gibt es ja schon“, sagt Timo Woopen. „Aber die fahren nur bestimmte vorgegebene Strecken und halten bei Hindernissen einfach an. Ausgereiftere Shuttle-Anwendungen können wir in den nächsten fünf bis zehn Jahren sicher erwarten. Anders wäre das bei einem Taxi, das sich überall in der Stadt bewegt, dann sind wir in wesentlich komplexeren Regionen unterwegs. Hierauf müssen wir leider noch etwas länger warten.“

Ist Deutschland in der Mobilität ein innovativer Standort? „In Deutschland passiert schon sehr viel Innovatives“, sagt Laurent Klöker, schränkt aber ein: „Mit den USA können wir uns nicht vergleichen, weil die dort zur Verfügung stehenden Mittel eine ganz andere Hausnummer sind.“ Dennoch sei Deutschland beim Thema Mobilitätswende schon gut aufgestellt. Timo Woopen erwähnt positiv auch die Kooperation deutscher Hochschulen in dem gemeinsamen Projekt UNICARagil mit acht deutschen Universitäten und acht Industriepartnern. Beim automatisierten Fahren, diesem hochkomplexen Thema, rücke die Landschaft enger zusammen.

Mit der 5G-Forschungsinitiative des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur wurden 2019 sechs Sonderzuwendungsbescheide an Forschungseinrichtungen und Universitäten erteilt. Eine Sonderzuwendung erhielt die Initiative 5G-Industry Campus Europe. Damit gehört Aachen zu den sechs ausgewählten 5G-Modellregionen des Bundesministeriums.

Im Frühjahr 2020 wurde das IT Center der RWTH Aachen von der Hochschulleitung beauftragt, die Entwicklung und den Aufbau der 5G-Technologie an der RWTH Aachen zu koordinieren. Das IT Center verwaltet den Frequenzbereich und bindet verschiedene Forschungsinitiativen aktuell auf dem Campus Melaten an die neue Mobilfunktechnologie an. Weiterhin ist vorgesehen, dass das IT Center bedarfsgerecht Frequenzen für weitere Flächen beantragt, entweder gezielt für ausgewählte Gebäude oder für Freiflächen.

Campus GmbH/Steindl

Die aktuelle 5G-Netzinfrastruktur auf dem Campus Melaten schließt sowohl Indoor-Funknetzwerke (zum Beispiel für Maschinenhallen, Logistikzentren, Demofabriken), als auch Outdoor-Funknetzwerke (zum Beispiel für mobile Anwendungen und Robotik und standortübergreifende Produktionsketten) mit ein.

In den drei Anwendungsprofilen werden Use Cases (Anwendungsfälle) und Forschungsprojekte realisiert, die über die bisherigen LTE-Fähigkeiten weit hinaus hinausgehen:

Sehr hohe Datenraten, Enhanced Mobile Broadband (eMBB). Im Bereich eMBB werden hohe Datenübertragungsraten für Anwendungen wie die Übertragung von 3D- oder 4K-Videostreams, Virtual Reality für die maschinelle Objekt- und Bilderkennung benötigt. eMBB steht für deutlich höhere Bandbreiten als heute im Mobilfunk bekannt sind und ermöglicht die Übertragung von einer Vielzahl höchstauflösender Bild- und Videodaten in Echtzeit.
Hohe Anzahl verbundener Geräte, Massive Machine Type Communication (mMTC) umfasst Anwendungen, bei denen die Anzahl der übertragenen Geräte pro Fläche besonders groß und damit die Anforderungen an die Kapazität einer Funkzelle besonders hoch sind (Produktionsanlagen, Lager- und Logistikbereich, in denen Produkte sich Paletten, Maschinen, Fahrzeuge und weitere Dinge gleichzeitig teilen).
Sehr niedrige Latenzzeiten. Ultra-reliable and Low Latency Communication (uRLLC) umfasst Anwendungen, bei denen höchste Anforderungen an Verbindungsgeschwindigkeit und -zuverlässigkeit gestellt werden (Autonomes Fahren, Telemedizin).

Drehen, fräsen, bohren, Niels König vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT drückt es anschaulich aus: „Wir wollen 5G bis in die Maschinenhalle und ihre verschiedenen Prozesse bringen.“ Es gehe um die wirtschaftliche Effizienz eines Unternehmens. „Jedes Unternehmen versucht permanent, seine Produktivität möglichst hoch zu halten. Dabei stößt es unweigerlich an physikalische Grenzen, und da bietet 5G neue Möglichkeiten.“

Drahtlose Sensoren würden die Messungen genau an die Stellen bringen, die, so formuliert er es, „wehtun“. Man kann dank 5G viel schneller als bisher reagieren, etwa bevor ein Fräswerkzeug bricht. 5G ermöglicht mit den Latenzzeiten im Millisekunden-Bereich extrem kurze Reaktionszeiten, die es in der Vergangenheit so nicht gab. Hochdynamische Produktionssysteme zuverlässig und sicher steuern und regeln zu können, ist die Kern-Herausforderung. Das Fraunhofer IPT entwickelt gemeinsam mit Partnern aus Maschinenbau, Netzwerktechnik und Robotik eine durchgängig echtzeitfähige Kommunikations-Infrastruktur auf der Basis von 5G und Time Sensitive Networking.

5G-basierter Sensor für die kabellose Prozessüberwachung in der Zerspanung

Paperplane Productions

Aachen liegt mit seinem 5G-Industry Campus Europe wegen der Komplexität der Testmöglichkeiten, der Kooperationspartner innerhalb des Campus und in der Industrie vorne. Forschung und Industrie zusammenbringen: Dafür ist 5G mit seiner Dimension ein gutes Beispiel. Laut Niels König ganz nach dem Campus-Prinzip „Hand in Hand mit der Industrie“. Und nennt ein erfolgreiches Beispiel: „Da zähle ich sehr stark Ericsson in Herzogenrath mit dazu, ein Partner der ersten Stunde. Diese hervorragende Zusammenarbeit ist ein Privileg, das wir in Aachen haben.“

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Und warum sollte auch der kleine Unternehmer in 5G investieren? Volker Stich vom FIR: „Weil sich durch 5G eine erhebliche Produktivitätssteigerung realisieren lässt. Heute liegt die Auslastung unserer Produktionsanlagen nur bei 50 Prozent. Nicht weil wir es nicht können, sondern weil wir es nicht wissen, weil wir kein Echtzeit-Feedback haben. Wenn eine Maschine ausfällt, dann brauchen wir heute relativ lange, bis im Produktionsplanungssystem klar ist, dass die Maschine tatsächlich ausgefallen ist. Danach brauchen wir wieder sehr lange, ehe wir wissen, warum die Maschine ausgefallen ist. Hinzu kommt dann die sogenannte Entscheidungslatenz, was wir tun müssen und die Zeit, bis das benötigte Ersatzteil tatsächlich vor Ort ist und eingebaut werden kann. Hätten wir 5G, dann könnte ich heute den Bruch der Maschine schon voraussagen, das Ersatzteil bestellen und die Maschine sofort reparieren, wenn sie tatsächlich kaputtgeht.“

Stich fasst die Chancen, die sich aus der engen Verbindung zwischen Forschung und Industrie in Aachen ergeben, ebenso optimistisch wie selbstbewusst zusammen: „Wir sind hier in Aachen zurzeit der größte durchgängige 5G-Standort in Europa. Wir haben den Vorteil, dass durch ihre Immatrikulation auf dem RWTH Aachen Campus die großen Player Ericsson, Telekom und Vodafone schon da sind. Was beweist: Wir haben schon eine Wirkung aus Aachen heraus, die uns manchmal im Tagesgeschäft gar nicht bewusst ist.“

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Interviews und weitere Informationen zum Thema 5G auf dem RWTH Aachen Campus:

Die 5G-Technologie auf dem Campus Melaten