Das Leitprojekt CampusOS wird von den Fraunhofer-Instituten HHI und FOKUS koordiniert. Es wird seit seinem Start im Jahr 2022 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
Mit CampusOS will Deutschland seine weltweite Pionierrolle beim Betreiben von 5G-Campusnetzen sichern sowie weiter ausbauen. Das Ökosystem soll in Form eines Technologie-Baukastens unterstützt werden, für den ein Bausteinkatalog erstellt und mit Vorschlägen für unterschiedliche Betreibermodelle versehen wird.
Dank der Netzvirtualisierung, die um Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen ergänzt werden, können so dynamisch und bedarfsgerecht Endgeräte sowie Funktionalitäten des Funkzugangsnetzes (RAN) und Kernnetzes (CORE) zu einem modularen und sicheren 5G-Campusnetz kombiniert werden. Zum Testen des neuen Ökosystems bauen die Fraunhofer-Institute HHI und FOKUS in Berlin Referenztestfelder auf.
Ein wesentlicher Ansatz von CampusOS ist die Konsolidierung eines Überblicks über die verschiedenen technischen Komponenten, die zur Realisierung von offenen und modularen 5G-Campusnetzen eingesetzt werden. Das Ziel von CampusOS ist es, einen Katalog technischer Bausteine für die Realisierung spezialisierter Campusnetzwerke bereitzustellen und Werkzeuge für die Dimensionierung, Planung, das Netzwerkmanagement und die Optimierung zu entwickeln. Dazu werden bestehende Komponenten im Hinblick auf Performance, Skalierbarkeit, Interoperabilität und Sicherheit / Vertrauenswürdigkeit analysiert. Darüber hinaus werden auch neue Komponenten entwickelt. Diese Komponenten betreffen die verschiedenen Technologiebereiche RAN, Core, RAN Intelligent Controller (RIC) sowie Orchestrierung, Management und Planung. Die Erstellung des Bausteinkatalogs folgt der Methodik und nutzt die Werkzeuge, die in dem früheren öffentlich geförderten Projekt Industrial Communication for Factories [IC4F] entwickelt wurden.
Er enthält alle wesentlichen funktionalen Komponenten und Schnittstellen, die für ein offenes und modulares 5G-Campusnetz im Hinblick auf Architekturerstellung (Architekturbausteine, ABBs) und Realisierung (Lösungsbausteine, SBBs) definieren. Ausgewählte HW-/SW-Komponenten des Bausteinkatalogs werden in den Referenztestfeldern in Ende-zu-Ende-Szenarien getestet und können ein CampusOS-Test-Label erhalten.
Das Leitprojekt CampusOS wird auch eine umfassende Analyse des sich entwickelnden Marktes für offene und modulare Campusnetze vornehmen. Ausgehend von einer Analyse anwenderseitig relevanter wertschöpfender Segmente sollen neue Rollen und Stakeholder entlang des Lebenszyklus von Campusnetzen identifiziert werden, um daraus ableitend Anknüpfungspunkte für neue Geschäfts- und Betreibermodelle abzuleiten.
Für ausgewählte vertikale Segmente werden schließlich konzipierte Umsetzungsvarianten für den Betrieb offener modularer Campusnetze (Betreibermodelle) einer Evaluation unterzogen. Im Ergebnis wird der entwickelte CampusOS-Technologiebaukasten um ein Label für ausgewählte Betreibermodelle ergänzt.
Im detaillierten Vorgehensmodell wird das Projekt für verschiedene repräsentative Fallstudien die entsprechenden Wertschöpfungsketten erfassen und die dazugehörigen Rollen und Stakeholder analysieren. Basierend darauf werden dann die Anforderungen an den Netzbetrieb für verschiedene Vertikalen und / oder Use Cases definiert und Umsetzungsvarianten für Betreibermodelle von offenen modularen Campusnetzen entworfen. Abschließend wird das Leitprojekt einen Vorschlag für ein Bewertungsschema für Betreibermodelle entwerfen und Stakeholder-Empfehlungen erstellen.
Die Fraunhofer-Institute FOKUS und HHI bauen an ihren Standorten in Berlin Referenztestfelder mit Komponenten aus dem Ökosystem auf. In den Referenztestfeldern werden einzelne Komponenten und unterschiedliche Kombinationen auf die Leistungsfähigkeit und Interoperabilität geprüft und ausgewählte Referenzarchitekturen zusammen mit den Architekturbausteinen verifiziert.
Ferner werden technische Implementierungen von Betreibermodellen zusammen mit ausgewählten Lösungsbausteinen für offene 5G-Campusnetze erprobt und bewertet. Die industriellen Anwendungsfälle zur Evaluation kommen von marktführenden Industriepartnern und werden durch Demonstratoren an ausgewählten Standorten im Wirkbetrieb umgesetzt.
In der folgenden Grafik sind die Standorte der Referenztestfelder und Demonstratoren dargestellt.
Industrie 4.0
Insbesondere bei Industrie 4.0-Anwendungen wie der hier betrachteten AGV Implementierung können offene 5G-Campusnetze ihre Stärken ausspielen. In diesem Anwendungsfall sind leistungsfähige autonome AGVs über ein offenes 5G-Campusnetz an lokale Edge-Cloud-Systeme angebunden und übertragen dorthin umfangreiche Datenpakete bestehend aus 3D-Scans und Kameraaufnahmen und zeitkritische Steuerungssignale. Dies dient neben einer effektiveren Lokalisierung auch der kontinuierlichen 3D Abbildung eines gesamten Lagerbereichs, sowie der Echtzeitsteuerung von großen AGV-Flotten. Ziel ist die Verbesserung innerbetrieblicher Transportvorgänge und die Erhöhung der Sicherheit in Lagerbereichen.
Des Weiteren werden industrielle Anwendungen aus dem Supply-Chain-Solution-Bereich betrachtet. In dem Anwendungsfall werden Umgebungsparameter erhoben und Messungen von kommunikationstechnischen Systemen im 3-dimensionalen Raum durchgeführt. Die Herausforderung liegt dabei in der zuverlässigen Kommunikation in sehr komplexen metallischen Strukturen bei einer gleichzeitig großen Anzahl von sich schnell bewegenden Transporteinheiten in diesen Bereichen. Darüber hinaus werden auch große Mengen von Live-Daten zur Maintenance Optimierung übertragen.
In beiden Fällen wird der Vervielfältigungsansatz hinsichtlich des Aufbaus des Ökosystems verfolgt, damit viele Kunden mit unterschiedlichen Anforderungen bedient werden können. Dabei soll auch geklärt werden, ob ein “Bring-Your-Own” 5G-Campusnetz-Betreibermodell, bei dem ein 5G-Netz von einem Lieferanten als Subsystem bereitgestellt wird, den Anforderungen bez. Qualität, Verfügbarkeit, Schnittstellen und Performanz-Eigenschaften und Interoperabilität gerecht wird.
Vernetzte Mobilität
Der geplante Anwendungsfall ist das teleoperierte Fahren in einer geografisch begrenzten Region wie bspw. innerhalb von Parkhäusern, auf Betriebshöfen oder einem Produktionsgelände. Dabei übernimmt ein Teleoperator mithilfe einer Fernsteuerung die Kontrolle über ein Fahrzeug, um dieses sicher innerhalb des Geländes zu fahren, zu manövrieren und/oder Güter zu beladen oder zu entladen. Dies erfordert die zeitkritische Übertragung von Sensordaten wie Video, LIDAR, GNSS usw., vom Fahrzeug, zurück zum Teleoperator, sowie der Befehle zur Steuerung wie Bremse oder Lenkung.
Die Nutzung offener und modularer 5G-Campusnetze zur Unterstützung dieses Anwendungsfalls ist aus mehreren Gründen vielversprechend. Campusnetze können auf die detaillierten Anforderungen des teleoperierten Fahrens zugeschnitten werden, d. h. hohe Datenraten vom Fahrzeug zum Teleoperator im Upload und geringe Datenraten im Download, beide mit geringen Latenzen. Darüber hinaus ermöglichen offene Schnittstellen zu allen Netzwerkelementen wie SMO, RAN und Core die Netzwerküberwachung aus Anwendersicht, mit der rechtzeitig erforderliche Reaktionen auf der Applikations- und/oder Netzwerkseite ausgelöst werden können. Eine praktische Evaluierung der oben genannten Aspekte und deren Auswirkungen auf die Ende-zu-Ende-Performanz ist für diesen Anwendungsfall geplant.
Venetzte Baustelle
Anwendungsszenarien im Bereich vernetzter Baustellen und Baustellenlogistik sind sowohl örtlich als auch zeitlich begrenzt. Eine wesentliche Anwendung im Bereich der Baustellenlogistik betrifft die echtzeitnahe Koordinierung der verteilten und teilweise mobilen Arbeitsabläufe auf Grundlage digitaler Baustellenzwillinge. Mittels echtzeitnaher Aggregation und Analyse von Sensor-, Positions-, Video- oder Laser-3D Daten wird ein virtuelles Abbild der Baustelle erzeugt, welches fortwährend, echtzeitnah aktualisiert wird. 3D-gesteuerte Baumaschinen müssen ununterbrochen mit Korrekturdaten zur Positionsbestimmung versorgt werden. Ein wesentlicher Bestandteil ist ebenfalls der kontinuierliche Abgleich von IST- und SOLL-Zuständen, um den aktuellen Baufortschritt zu erfassen und für die weitere Bauablaufplanung bereitzustellen. Arbeitskräfte auf der Baustelle können mittels AR-Datenbrillen weitere Unterstützung bei aktuellen Arbeitsabläufen erhalten. Sehr kurze Reaktionszeiten und erhöhte Geschwindigkeiten der Arbeitsabläufe benötigen neben großen Datenmengen zudem sehr niedrige Latenzen bei der Kommunikation und der Verarbeitung der Daten.
Dies stellt somit hohe Anforderungen an 5G-basierte Campusnetze. Nomadische Systeme bei Verwendung offener RAN-Lösungen ermöglichen eine optimale Platzierung der Datenverarbeitungsinfrastruktur sowie Mechanismen zur Sicherstellung, dass unerwünschte Interferenzen nicht zur Störung der bestehenden Sensorik führen. Ebenso stellt der Personen- und Anlagenschutz eine weitere wesentliche Anwendung im Bereich der vernetzten Baustelle dar, bei dem Gefahren frühzeitig erkannt und entsprechende Maßnahmen (Not-Aus von Maschinen, Bewarnung, etc.) frühzeitig getroffen werden müssen. Der digitale Baustellenzwilling unterstützt auch diesen Anwendungsfall mit echtzeitnahen Positions-, 3D- und Sensordaten. Zudem muss erprobt werden, ob die eingesetzte Technik den rauen und wechselnden Umgebungsbedingungen gerecht wird.
Das Leitprojek CampusOS wird von den Fraunhofer-Instituten HHI und FOKUS koordiniert. Es wird seit seinem Start im Jahr 2022 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
Mit CampusOS will Deutschland seine weltweite Pionierrolle beim Betreiben von 5G-Campusnetzen sichern sowie weiter ausbauen. Das Ökosystem soll in Form eines Technologie-Baukastens unterstützt werden, für den ein Bausteinkatalog erstellt und mit Vorschlägen für unterschiedliche Betreibermodelle versehen wird.
Dank der Netzvirtualisierung, die um Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen ergänzt werden, können so dynamisch und bedarfsgerecht Endgeräte sowie Funktionalitäten des Funkzugangsnetzes (RAN) und Kernnetzes (CORE) zu einem modularen und sicheren 5G-Campusnetz kombiniert werden. Zum Testen des neuen Ökosystems bauen die Fraunhofer-Institute HHI und FOKUS in Berlin Referenztestfelder auf.
Ein wesentlicher Ansatz von CampusOS ist die Konsolidierung eines Überblicks über die verschiedenen technischen Komponenten, die zur Realisierung von offenen und modularen 5G-Campusnetzen eingesetzt werden. Das Ziel von CampusOS ist es, einen Katalog technischer Bausteine für die Realisierung spezialisierter Campusnetzwerke bereitzustellen und Werkzeuge für die Dimensionierung, Planung, das Netzwerkmanagement und die Optimierung zu entwickeln. Dazu werden bestehende Komponenten im Hinblick auf Performance, Skalierbarkeit, Interoperabilität und Sicherheit / Vertrauenswürdigkeit analysiert. Darüber hinaus werden auch neue Komponenten entwickelt. Diese Komponenten betreffen die verschiedenen Technologiebereiche RAN, Core, RAN Intelligent Controller (RIC) sowie Orchestrierung, Management und Planung. Die Erstellung des Bausteinkatalogs folgt der Methodik und nutzt die Werkzeuge, die in dem früheren öffentlich geförderten Projekt Industrial Communication for Factories [IC4F] entwickelt wurden.
Er enthält alle wesentlichen funktionalen Komponenten und Schnittstellen, die für ein offenes und modulares 5G-Campusnetz im Hinblick auf Architekturerstellung (Architekturbausteine, ABBs) und Realisierung (Lösungsbausteine, SBBs) definieren. Ausgewählte HW-/SW-Komponenten des Bausteinkatalogs werden in den Referenztestfeldern in Ende-zu-Ende-Szenarien getestet und können ein CampusOS-Test-Label erhalten.
Das Leitprojekt CampusOS wird auch eine umfassende Analyse des sich entwickelnden Marktes für offene und modulare Campusnetze vornehmen. Ausgehend von einer Analyse anwenderseitig relevanter wertschöpfender Segmente sollen neue Rollen und Stakeholder entlang des Lebenszyklus von Campusnetzen identifiziert werden, um daraus ableitend Anknüpfungspunkte für neue Geschäfts- und Betreibermodelle abzuleiten.
Für ausgewählte vertikale Segmente werden schließlich konzipierte Umsetzungsvarianten für den Betrieb offener modularer Campusnetze (Betreibermodelle) einer Evaluation unterzogen. Im Ergebnis wird der entwickelte CampusOS-Technologiebaukasten um ein Label für ausgewählte Betreibermodelle ergänzt.
Im detaillierten Vorgehensmodell wird das Projekt für verschiedene repräsentative Fallstudien die entsprechenden Wertschöpfungsketten erfassen und die dazugehörigen Rollen und Stakeholder analysieren. Basierend darauf werden dann die Anforderungen an den Netzbetrieb für verschiedene Vertikalen und / oder Use Cases definiert und Umsetzungsvarianten für Betreibermodelle von offenen modularen Campusnetzen entworfen. Abschließend wird das Leitprojekt einen Vorschlag für ein Bewertungsschema für Betreibermodelle entwerfen und Stakeholder-Empfehlungen erstellen.
Die Fraunhofer-Institute FOKUS und HHI bauen an ihren Standorten in Berlin Referenztestfelder mit Komponenten aus dem Ökosystem auf. In den Referenztestfeldern werden einzelne Komponenten und unterschiedliche Kombinationen auf die Leistungsfähigkeit und Interoperabilität geprüft und ausgewählte Referenzarchitekturen zusammen mit den Architekturbausteinen verifiziert.
Ferner werden technische Implementierungen von Betreibermodellen zusammen mit ausgewählten Lösungsbausteinen für offene 5G-Campusnetze erprobt und bewertet. Die industriellen Anwendungsfälle zur Evaluation kommen von marktführenden Industriepartnern und werden durch Demonstratoren an ausgewählten Standorten im Wirkbetrieb umgesetzt.
In der folgenden Grafik sind die Standorte der Referenztestfelder und Demonstratoren dargestellt.
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