Lokalisieren in 5G

Präzise Lokalisierung spielt im Internet der Dinge und insbesondere in teilautomatisierten und autonomen Systemen in der Industrie eine wichtige Rolle. Daher ist die Verfügbarkeit von verlässlichen Positionsinformationen ein grundlegender Erfolgsfaktor für Industrie-4.0-Anwendungen. Der Aufbau und die Nutzung von 5G-Infrastrukturen nicht nur für die Kommunikation, sondern auch für eine Positionierung kann hier eine Lösung sein.

Die bisherigen Mobilfunkstandards wie 3G und 4G/LTE wurden hauptsächlich für die Sprach- und Datenkommunikation entwickelt. Dabei wurde die Lokalisierungsunterstützung nur durch gesetzliche Anforderungen, wie etwa zur Lokalisierung von Notrufen, vorangetrieben. Eingesetzt werden hierfür derzeit folgende Methoden:

Mit Enhanced Cell ID (E-CID) können mobile Geräte, auf der Erkennung einer Funkzelle basierend, lokalisiert werden, wobei diese groben Ortsinformationen durch die zusätzliche Auswertung von Laufzeitinformationen verbessert werden können.
Mit UTDOA (Uplink Time Difference of Arrival) und OTDOA (Observed Time Difference of Arrival) kann die Position eines mobilen Gerätes über eine Laufzeitmessung ermittelt werden.

Mit diesen Verfahren konnten in bisherigen Mobilfunknetzen im besten Fall Genauigkeiten zwischen 20 und 50 Metern erreicht werden.

Ausblick auf die Möglichkeiten von 5G NR im Bereich Positionierung

Die Standardisierung von 5G ist ein fortlaufender Prozess, in dem klar definierte Weiterentwicklungen beschlossen und in sogenannten Releases veröffentlicht werden. In der 3GPP-Standardisierung – 3GPP steht für 3rd Generation Partnership Project und ist eine weltweite Kooperation von Standardisierungsgremien für Mobilfunk – wurde mit dem Release 15 im Juni 2018 die erste Generation von 5G New Radio (NR) festgesetzt.

Wie bei LTE wird es auch bei 5G mehrere Entwicklungsstufen im Rahmen von weiteren Releases geben. Mit dem kommenden Release 16 wird erstmals eine horizontale Positioniergenauigkeit von weniger als 3 Metern in Innenräumen angestrebt. Weitere Verbesserungen in der Genauigkeit erwarten wir mit den Releases 17 und 18 (siehe Kasten). Die 5G-Lokalisierungsarchitektur wird dabei eine Vielzahl von Sensoren integrieren können. So sind hybride Systeme möglich, die speziell auf die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zugeschnitten und optimiert sind.

»Durch Lokalisierung auf 5G-Basis werden IOT-Prozesse deutlich effizienter.«

Thomas von der Grün, Geschäftsfeldkoordinator Lokalisierung

5G-Entwicklungen in unseren Forschungsbereichen

Bei laufzeitbasierten Methoden wie OTDOA und UTDOA ist eine Lokalisierung mit Submetergenauigkeit innerhalb von 5G-Netzen möglich. Dies beruht auf der hohen Bandbreite in 5G von bis zu 100 MHz für Frequenzbereich FR1 (< 6 GHz) und der damit erhöhten Zeitauflösung. Bei einer Bandbreite von 400 MHz im Frequenzbereich FR2 (> 6 GHz) wird die Positionierungsleistung bis in den Dezimeterbereich gehen können.

Um diese Neuerungen zu testen, betreiben wir am Fraunhofer IIS in Nürnberg ein 5G-Testbed, das sich auf industrielle Anwendungen fokussiert. Hier werden wir u. a. ein UTDOA-System für präzise Lokalisierungsanwendungen in einer Industriehalle installieren. Die SDR (Software Defined Radio) genannte Plattform erlaubt es, flexibel die Leistungsfähigkeit der 5G-Lokalisierung schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt kennenzulernen und in konkreten Anwendungen der Industrie zu testen. Diese anspruchsvolle Aufgabe, die tatsächlichen Fähigkeiten von 5G zu evaluieren, hängt von verschiedensten Implementierungsdetails sowie der Hardware- und Softwareunterstützung der Mobilfunkgeräte nach 2020 ab. Auch bei der Implementierung unterstützen wir unsere Kunden mit Beratung und Know-how.

3GPP-Releases: geplante bzw. zu erwartende horizontale Positionsgenauigkeit in Gebäuden

Release 16:
< 3 Meter, Fertigstellung des Standards 2019 / mögliche Verfügbarkeit standardkonformer Geräte circa ab 2021
Release 17:
< 1 Meter, geplante Fertigstellung des Standards 2021 / mögliche Verfügbarkeit standardkonformer Geräte circa ab 2023
Release 18:
wenige Dezimeter, mögliche Fertigstellung des Standards 2023

Lokalisierungsanwendungen in 5G

Dank dieser fortschreitenden Standardisierungsarbeiten kann die Lokalisierung mittels 5G in den nächsten Jahren zur Effizienzsteigerung in industriellen und logistischen Prozessen beitragen.

Eine neue Anwendung, die durch diese weitaus präzisere Lokalisierung profitieren wird, ist z. B. der Einsatz von Drohnen für den Transport von Produktionsteilen in Industrieumgebungen. Fahrerlose Transportsysteme in der Fertigung, die sich selbstständig im Prozess orientieren, sind dagegen längst nicht mehr Science-Fiction, sondern in vielen Unternehmen bereits im Einsatz. Präzise Lokalisierung in 5G ist aber auch ein Thema für die Vielzahl an AV/VR-Anwendungen, die in der Fertigung und bei Remote-Anwendungen vermehrt eingesetzt werden.

Mit dem vom Freistaat Bayern geförderten 5G-Testbed für Industrie-4.0-Anwendungen bieten wir am Fraunhofer IIS parallel zu unseren Forschungstätigkeiten im Bereich 5G den Raum und das Know-how, um 5G in industriellen und logistischen Prozessen unter realen Bedingungen zu erproben. Zusätzlich zu diesen realen Implementierungen können Emulationen und Simu- lationen von 5G-Anwendungsfällen im zugehörigen 5G-Testzentrum durchgeführt werden.

Dies hilft, die Lücke zwischen der Fertigstellung eines neuen Releases und der Verfügbarkeit standardkonformer Hardware zu schließen.

Das Know-how des Fraunhofer IIS für die Realisierung der Positionsbestimmung innerhalb von 5G im industriellen Bereich beruht auf 20 Jahren Erfahrung mit verschiedenen Lokalisierungsmethoden wie UTDOA, DoA, RSSI, GNSS und Multi-Sensor-Fusion. Wir haben bereits unterschiedlichste Lösungen implementiert und Anwendungen zusammen mit Unternehmen vermarktet.

Testzentrum und Testbeds für 5G-Technologien

Die Mobilfunkwelt bereitet sich derzeit mit Hochdruck auf den Übergang von LTE zu 5G vor. Der neue Standard soll künftig deutlich mehr bieten als man bisher vom Mobilfunk gewohnt ist. Auch Industrie 4.0-Anwendungen und das vernetzte Fahren erfahren durch 5G einen kräftigen Schub nach vorne. Das Testzentrum am Fraunhofer IIS ist die erste Anlaufstation für die Umsetzung geplanter 5G-Anwendungen. Ergänzend dazu bereitet das Fraunhofer IIS den Aufbau und Betrieb eines Industrie-4.0-Testbeds in Nürnberg vor.

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Auf einen Blick