Offenes Campusnetz 5G und TSN per Glasfaser für vernetzten Maschinenpark

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Fraunhofer-Institut f. Nachrichten technik, Heinrich-Hertz-Institut

Die Industrie profitiert von offenen 5G-Campusnetzen: Das zeigen mehrere Fraunhofer-Institute, die eine echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur mit 5G für industrielle Anwendungen in Betrieb genommen haben. Mit der Infrastruktur will man zudem an 6G-Netzen forschen.

Mit dem Mobilfunkstandard 5G und einem Campusnetz soll die Industrie in die Lage versetzt werden, große Datenmengen in Echtzeit bei geringer Latenz zu übertragen. Wie genau so ein echtzeitfähiges 5G-Standalone-Campupsnetz aussehen kann, haben jetzt das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) zusammen mit den Fraunhofer-Instituten FOKUS und IPK im Auftrag der German Edge Cloud (GEC) und dem Innovationscluster 5G Berlin e.V. gezeigt.

Als eines der ersten operativen, verteilten 5G-Standalone-Campusnetze in Deutschland mit einer heterogenen Funktechnik soll es als Testumgebung für zukünftige echtzeitfähige Edge-Cloud-Anwendungen in der Industrie 4.0 dienen. Neben industriellen 5G-Anwendungen nutzen die beteiligten Forschungsteams die Infrastruktur, um damit die Netzwerktechniken außerdem in Richtung 6G weiterzuentwickeln. Insbesondere im Hinblick auf ein zukünftiges offenes 5G/6G-Ökosystem.

5G-Campusnetz und IEEE TSN zur Datenübertragung

An allen drei Berliner Standorten stehen der IEEE Time-Sensitive-Networking- (TSN-)Standard für die kabelgebundene Echtzeitkommunikation sowie 5G-Campusnetze zur Verfügung.

Mit diesem Aufbau vernetzter und verteilter Netzwerkinfrastruktur inklusive Maschinenpark sollen sich realitätsnahe Proof-of-Concept-Demonstrationen entwickeln lassen. Die aufgebaute Kommunikationsinfrastruktur steht Kunden und Partnern aus Industrie und Forschung für gemeinsame Projekte zur Verfügung.

Niedrige Latenzen mit Wellenlängen-Multiplexing

Eine konkrete Demonstration ist die ferngesteuerte Videoinspektion, um die Qualitätskontrolle zu testen. Dazu hat man gemeinsam mit dem Industriepartner GEC eine Produktionszelle am Fraunhofer IPK, die aus einem Roboter, einem Förderband sowie flexibel einsetzbaren 2D-Industriekameras bestand, vom Fraunhofer HHI aus in Echtzeit per TSN über Glasfaser gesteuert.

Die vom Fraunhofer HHI entwickelten Machine-Vision-Modelle erfassen sowohl Handpositionen und Handgesten der Anwender, der Bauteile mit einem KI-Algorithmus identifizieren kann und dabei die Position verfolgt. Dazu wurden die Videosignale aus der entfernten Produktionszelle in Echtzeit auf der Edge Cloud verarbeitet.

Hier kam das optische Wellenlängen-Multiplexing (DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing) zum Einsatz. Mit dem DWDM sind sehr niedrig Latenzen möglich, um die Videosignale aus der Maschinenhalle in die Edge Cloud sowie die der Steuersignale in umgekehrter Richtung zu übertragen. Das ist eine der ersten TSN-Verbindungen über DWDM, die in einem Szenario der industriellen Automatisierung bisher umgesetzt wurde.

KI-Plattform für sicheres maschinelles Lernen

Am Fraunhofer HHI wurde darüber hinaus in Kooperation mit der GEC eine KI-Dienstplattform für sicheres maschinelles Lernen (ML) an verteilten Standorten entwickelt. Die KI-Dienstplattform mit dem Namen DLFi = Distributed Learning Framework ermöglicht durch verteiltes Lernen das kollaborative Training von ML-Modellen, ohne dass die Trainingsdaten an eine zentrale Instanz übermittelt werden müssen.

Ein weiterer erprobter Use Case ist die Cloud-basierte Steuerung und Navigation für fahrerlose Transportsysteme (FTS). Gemeinsam mit dem Industriepartner Getalt Robotics hat das Team die Steuerung und Navigation für ein 5G-fähiges FTS für die Ausführung in der Edge Cloud entwickelt.

Darüber hinaus konnte die Steuerung einer Roboterzelle in Form von Micro Services virtualisiert sowie die Zusammenarbeit zwischen FTS und Roboterzelle im Produktionsprozess gezeigt werden. Dabei erwies sich eine stabile Kommunikationsverbindung mit geringer Latenz zwischen FTS, Roboterzelle und Edge Cloud als wichtige Voraussetzung.

Mit dem Campusnetz an 6G forschen

Außerdem nutzen die Forschungsteams das offene Campusnetz, um Netzwerktechnologien in Richtung 6G weiter zu entwickeln. Hier geht es vor allem auf ein künftig offenes 5G/6G-Ökosystem. Das Campusnetz wird dazu genutzt, um basierend auf einer Ende-zu-Ende-Virtualisierung der Infrastruktur, einer Disaggregation von Funkzugangsnetz- (RAN) und Kernnetzfunktionen sowie offener Schnittstellen (OpenRAN-Ansätze) vorzuschlagen.

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