Projekte
Passend zu den Forschungsgebieten ist das CEL an mehreren Forschungsprojekten in nationalen und europäischen Förderprogrammen involviert. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht dieser Projekte.
Projektbeschreibung
In einer Zeit, in der die Informations- und Kommunikationstechnik stärker denn je zusammenwachsen, ist eine intelligente Netzautomatisierung ein Imperativ, um die Skalierbarkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit der Kommunikationsnetze zu erhöhen. Sie ist auch der Hebel, um eine Vielzahl neuer digitaler Dienste und Anwendungen zu ermöglichen, von denen wir uns viele heute noch gar nicht vorstellen können. Gerade in Zeiten eingeschränkter Mobilität wird deutlich, dass Automatisierung unverzichtbar ist, um den Netzbetrieb zu garantieren, den Ressourcenverbrauch zu optimieren und Dienste flexibel zu konfigurieren.
Ziel des Vorhabens am CEL des KIT ist es, neue algorithmische und technische Verfahren für die optische Datenübertragung auf der physikalischen Schicht zu entwickeln. Hierbei liegt besonderer Schwerpunkt auf dem Einsatz von KI-basierten Verfahren um die nachrichtentechnische Güte und Implementierung herkömmlicher Verfahren unter besonderer Berücksichtigung der nicht-funktionalen Eigenschaften wie Flexibilität, Rekonfigurierbarkeit und Energieverbrauch, Latenz und Durchsatz deutlich zu verbessern.
Der Fokus des Vorhabens am CEL liegt hier insbesondere an der Algorithmenentwicklung unter Berücksichtigung von Randbedingungen, die bei verschiedenen praktischen Implementierungen auftreten, und der Erstellung von Evaluations- und Simulationstools zur Optimierung flexibler, leistungsfähiger Sender und Empfänger. Ein besonderes Augenmerk liegt hier auf flexiblen und schnell adaptierenden Verfahren, die für zukünftige flexible Netze die Übertragungsgrundlage bilden und die Adaptivität ebendieser Netze sicherstellen. Diese neuartigen Übertragungsverfahren werden im Verbund mit den Partnern evaluiert und demonstriert.
Förderung
Dieses Projekt wird im Rahmen des CELTIC-NEXT-Projektes AI-NET-ANTILLAS (C2019/3-3) ausgeführt und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert (Förderkennzeichen 16KIS1316).
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Projektbeschreibung
Sicherheit in der Kommunikation wird durch kryptographische Verfahren ermöglicht. Aktuell eingesetzte Verschlüsselungsmethoden gewährleisten heute zwar ausreichende Sicherheit, in der Zukunft werden sie jedoch wahrscheinlich von leistungsstarken Quantencomputern entschlüsselt werden können. Insbesondere Behörden und Firmen sind durch eine mögliche Speicherung und Entschlüsselung zu einem späteren Zeitpunkt gefährdet (store now – decrypt later). Deswegen wird bereits heute versucht, die gebräuchlichen Verfahren durch Ansätze der Quantenkryptographie zu ergänzen. Die Verteilung von Kryptoschlüsselpaaren erfolgt dabei über einen abhörsicheren Quantenkanal. Bei dieser sogenannten Quantum Key Distribution (QKD) basiert die Übertragung der Schlüssel auf physikalischen Verfahren, die ein Abhören vom Prinzip her unmöglich machen sollen. Die aktuellen technischen Hürden liegen in der beschränkten Reichweite, insbesondere beim Einsatz auf Glasfaserstrecken, der Integration der Komponenten zu kompakten und robusten Systemen sowie den hohen finanziellen Kosten.
Ziel des Projektes „Entwicklung hochperformanter Übertragungskomponenten für quantensichere Kommunikation über Glasfaserleitungen in Metro- und Weitverkehrsnetzen“ (DE-QOR) ist die Weiterentwicklung bestehender QKD-Ansätze basierend auf kohärenter optischer Übertragungstechnik (continuous variable QKD, CV-QKD). Vorteil ist hierbei, dass bereits bestehende Infrastruktur verwendet werden kann. Es sollen zentrale Komponenten auf Sender- und Empfängerseite entwickelt und zu kompakten Systemen integriert werden. Es werden damit Übertragungsstrecken im urbanen Raum mit einer Länge von mehr als 80 Kilometern angestrebt. Dabei wollen die Forschenden möglichst hohe Übertragungsgeschwindigkeiten ermöglichen. Dies soll durch Analyse und Optimierung der analogen und digitalen Subsysteme gelingen, um dadurch eine Rate der Schlüsselerzeugung zu erzielen, mit der sich eine Vielzahl von Kanälen verschlüsseln lässt. Das CEL erforscht in diesem Projekt neue Verfahren zum Schlüsselabgleich, die auf hocheffizienten Fehlerkorrekturverfahren. Diese müssen an extrem niedrige Signal-Rausch-Abstände und an die Besonderheiten des Quantenschlüsselabgleichs angepasst sein. Eine effiziente Fehlerkorrektur ist zentrales Element des Schlüsselabgleichs und notwendig, um hohe Schlüsselaustauschraten zu erzielen.
Förderung
Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert (Förderkennzeichen 16KISKQ056).
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KOMSENS-6G
Projektbeschreibung
Eine der Kernvisionen bei der Entwicklung der kommenden Mobilfunkgeneration 6G ist die Verschmelzung der digitalen mit der physikalischen Welt. Die Einführung neuer Kommunikationsstandards bietet zum Beispiel die Chance, dass Mensch und Technologie stärker und natürlicher miteinander interagieren. Dies ermöglicht nützliche Anwendungen, etwa in autonomen Fahrzeugen oder der Telemedizin. Damit diese Verschmelzung gelingt, müssen zukünftige Kommunikationssysteme fähig sein, neben der Datenübertragung auch die Umwelt präzise und selbstständig zu erfassen. Ein wichtiges Innovationsfeld bei 6G ist es deshalb, Funk-Sensorik wie zum Beispiel Radartechnologie in die Funkkommunikation zu integrieren. Im Gegensatz zu bisherigen Lösungen soll dabei das Mobilfunknetz selbst als Sensor agieren. Dabei entstehen Synergien, die zur Lokalisierung von Objekten und darüber hinaus auch zur Optimierung der Nachrichtenübertragung genutzt werden können.
Das Verbundprojekt „Perzeptive Kommunikationsnetzwerke mit integrierter Sensorik für die 6. Generation des Mobilfunks (KOMSENS-6G)“ richtet das Hauptaugenmerk darauf, Sensorik in 6G-Kommunikationssysteme zu integrieren. Dadurch wollen die Forschenden künftige Anwendungen in der Industrie 4.0 oder der autonomen Mobilität ermöglichen. In einem ersten Schritt werden deshalb Anforderungen aus deutschen Schlüsselindustrien analysiert. Darauf aufbauend entwickelt das Projektteam eine neue Systemarchitektur für die die einzelnen Funktionsblöcke, also Komponenten, mit den zugehörigen offenen Schnittstellen definiert werden. Es werden dabei zwei verschiedene Anwendungsszenarien untersucht, um Radartechnologie effektiv in 6G-Netzen einsetzen zu können. Bei monostatischen Radarmessungen sind Sender und Empfänger zusammen angeordnet, bei multistatischen Radarmessungen werden verteilte Sende- und Empfangseinheiten betrachtet. Die Konzepte in beiden Anwendungsfällen sollen abschließend in Demonstrationen evaluiert und der Energiebedarf optimiert werden.
Ein Zusammenspiel von Kommunikation und Sensorik kann zukünftig nicht nur aktive Teilnehmende am Mobilfunk lokalisieren, sondern auch Objekte, die nicht mit dem Netz verbunden sind. Daraus ergeben sich weitreichende Anwendungsfelder in Innenräumen aber auch im öffentlichen Leben. In der Mobilität der Zukunft können beispielsweise freie Parkflächen schneller gefunden und in Echtzeit an die Verkehrsteilnehmer gemeldet werden. In der Industrie 4.0 können fabrikinterne Lieferflüsse überwacht und Personen in kritischen Bereichen erfasst werden. Insgesamt trägt die Integration von Sensorik und Kommunikation damit wesentlich zur Konvergenz von digitaler und physikalischer Welt bei. Das Projekt ermöglicht es somit, dass Deutschland die wirtschaftlichen Chancen von 6G frühzeitig nutzen kann, und trägt damit zur technologischen Souveränität bei.
Förderung
Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
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Projektbeschreibung
Kommunikationssysteme sind das zentrale Nervensystem einer digitalen Wirtschaft und Gesellschaft. Es ist das Ziel der Verbundpartner des Open6GHub, im europäischen Kontext Beiträge zu einem globalen 6G-Harmonisierungsprozess und 6G-Standard zu liefern. Der Fokus liegt dabei auf deutschen Interessen im Sinne gesellschaftlicher Prioritäten und den gemeinsamen europäischen Werten. Schwerpunktmäßig betrachten die Forschenden Anwendungsszenarien in Smart Cities, der vernetzten Fabrik, in ländlichen Gebieten und der Landwirtschaft. Innerhalb des Projekts werden mehrere technisch-wissenschaftliche Ziele zur Umsetzung verfolgt. Dazu gehören beispielsweise die Widerstandsfähigkeit und Zuverlässigkeit von 6G als Rückgrat einer hochvernetzten Gesellschaft sowie das Ausschöpfen des Potenzials von Künstlicher Intelligenz (KI) zur Optimierung der Netze aus Gründen der Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und Ressourcenschonung. Zudem stehen neue, höhere Frequenzbereiche im Fokus der Forschung, wie auch die Nutzung von netzseitig anfallende Kontextinformation für Sensing- und Lokalisierungsdienste sowie „Integriertes 3D-Networking“ – zum Beispiel durch Satelliten für eine höhere Abdeckung von 6G. Außerdem befassen sich die Verbundpartner mit Netzen ohne fester Infrastruktur sowie Optionen zur Nutzung von Infrastruktur durch mehrere Netzbetreiber, um die Wirtschaftlichkeit zu steigern.
Das Projekt Open6GHub arbeitet mit einem umfassenden Ansatz. Dabei werden innovative drahtlose und glasfaserbasierte Kommunikationstechnologien zusammengeführt – immer mit dem Fokus auf höchste Netzsicherheitsstandards und dem zielgerichteten Einsatz von Software-basierten Lösungen und KI. Ziel ist es, den Anwendungsanforderungen einer Gesellschaft nach dem Jahr 2030 zu entsprechen. Das CEL beschäftigt sich in diesem großen Verbundprojekt mit Aspekten der Kanalcodierung, der Kombination von Sensing und Kommunikation und Aspekten der semantischen Kommunikation.
Förderung
Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert (Förderkennzeichen 16KISK010).
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PONGO
Projektbeschreibung
Der weltweite Internetverkehr steigt rasant an und zunehmende Anforderungen an die Bandbreite von zum Beispiel Onlinediensten machen höhere Datenraten in mobilen oder stationären Zugangsnetzen notwendig. Dementsprechend leistungsfähigere Netze verbrauchen oftmals mehr Energie und arbeiten mit sehr komplexen Komponenten. Dies steht jedoch im Widerspruch zu den ebenfalls steigenden Anforderungen an Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit. Um all diese Herausforderungen gleichermaßen zu adressieren, ist es daher notwendig, neue Netztechnologien ganzheitlich zu erforschen, auch unter Berücksichtigung techno-ökonomischer Aspekte.
Im Projekt „PONGO“ werden neue Ansätze für hochratige Netze entwickelt. Hierzu erforscht und modelliert das Projektteam Verfahren zur kohärenten Übertragung und zur Intensitätsmodulation. Um eine kohärente Signalübertragung in künftigen, passiven optischen Netzen (PON) zu ermöglichen, werden die Hardware-, Software- und Protokollebene bei den Forschungsarbeiten betrachtet. Hierzu verfolgen die Forschenden verschiedene Ansätze, um die Komplexität der Sende- und Empfangshardware zu reduzieren und zu optimieren. Zudem wird das Projektteam optimierte Protokolle zur Verbesserung der Latenz und für einen geringeren Energiebedarf entwickeln. Die Forschenden werden die Lösungen unter techno-ökonomischen Aspekten evaluieren, mit dem Ziel, sie wirtschaftlich in neu aufzubauenden sowie existierenden Netzen einzusetzen. Die entwickelten Technologien werden abschließend im Netz eines Telekommunikationsunternehmens demonstriert und unter Nachhaltigkeitsaspekten evaluiert.
Die Arbeiten am KIT fokussieren sich auf die Erforschung neuer Fehlerkorrekturverfahren für PONs. Insgesamt sollen die Projektergebnisse als wichtige Grundlage für die Standardisierung von passiven optischen Netzen der übernächsten Generation dienen. Das Projekt kann hierzu wichtige Lösungen beitragen und so helfen, die deutschen und europäischen Interessen, beispielsweise im Bereich der Nachhaltigkeit und der digitalen Vernetzung, zu wahren.
Förderung
Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert (Förderkennzeichen 16KIS2081).
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Projektseite beim Projektträger: https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/pongo
QuNEST
Projektbeschreibung
Die treibende Kraft für das Doktorandennetzwerk QuNEST - Quantum Enhanced Optical Communication Network Security - ist es, 11 hochqualifizierten Doktoranden eine Ausbildung auf hohem Niveau und in enger Zusammenarbeit zu ermöglichen. Dieses Doktorandennetzwerk ist ein hochgradig multidisziplinäres, sektorübergreifendes Vorhaben, das sich auf die Bereiche Quantenphysik, Simulationen, Photonik, optische Übertragung, QKD-Protokolle, Implementierungssicherheit, Fehlerkorrekturalgorithmen, digitale Signalverarbeitung, Netze und Steuerung erstreckt. Das Doktorandennetzwerk ermöglicht eine interdisziplinäre- und sektorübergreifende Ausbildung, die darauf abzielt, Experten in diesen aufstrebenden multidisziplinären Bereichen auszubilden. Um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen, erlernen die QuNEST Doktoranden nicht nur Soft Skills, sondern erforschen auch das Potenzial aus der Kombination von Quanten- und klassischen optischen Datensignalen, indem sie die folgenden drei Herausforderungen angehen:
- Multiplexing zur Begrenzung der Auswirkungen linearer/nichtlinearer Störungen durch klassische Signale
- Robuste Shannon-Limit-Ansätze für Informationsabgleich und Fehlerkorrektur
- Ausweitung der Forschungsausbildung im Bereich der sicheren Quantenkommunikation vom Labor auf Feldlaboratorien und Netze.
Neben der Ausbildung der 11 Doktoranden wird der Stand der Technik vorangetrieben und dazu beigetragen, die Quantenkommunikation in Richtung "Produktions"-Netzumgebung für die klassische Datenübertragung weiterzuentwickeln. QuNESTwird eine zentrale Rolle bei diesem Vorhaben spielen, indem es einschlägiges Fachwissen für die europäischen Telekommunikationsindustrien und -märkte oder andere potenzielle Nutzer, z. B. im Bank-/Finanzwesen und in Rechenzentren, ausbildet. Die Vision einer weit verbreiteten Quantenkommunikationsinfrastruktur steht im Einklang mit der Europäischen Kommission, die mehr als 1 Milliarde Euro in das Flaggschiff der Quantentechnologien investiert hat, um den Quantensektor über einen Zeitraum von 10 Jahren zu entwickeln und zu fördern.
Um diesem wachsenden Markt gerecht zu werden, wurde unser Konsortium sorgfältig ausgewählt, um ein innovatives Ausbildungsnetzwerk aus sechs führenden akademischen Einrichtungen, neun nicht-akademischen Unterstützungsempfängern und acht assoziierten Partnerorganisationen zu bilden, die über das weltweit anerkannte Fachwissen verfügen, um Entwicklungshelfer sowohl mit wissenschaftlichen als auch mit übertragbaren Fähigkeiten auf eine erfolgreiche Karriere in der Quantenkommunikation und anderen Deep-Tech-Sektoren vorzubereiten. Soweit wir wissen, ist QuNEST die erste koordinierte Maßnahme zur Ausbildung der dringend benötigten zukünftigen Wissenschaftler und Ingenieure, die die nächste Generation der quantensicheren optischen Kommunikationsinfrastruktur entwerfen, bauen, einsetzen und betreiben werden. Zusätzlich zu diesem herausragenden Ausbildungsprogramm werden die im Rahmen von QuNEST ausgebildeten Experten aktiv mit den politischen Entscheidungsträgern auf nationaler und europäischer Ebene zusammenarbeiten, um einen Beitrag zum langfristigen Forschungs- und Entwicklungsfahrplan zu leisten und so zur langfristigen und nachhaltigen Entwicklung der souveränen Quantenkommunikationsinfrastruktur der EU beizutragen.
Förderung
Finanziert von der Europäischen Union. Die geäußerten Ansichten und Meinungen sind jedoch ausschließlich die des Autors/der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Union wider. Weder die Europäische Union noch die Bewilligungsbehörde können für sie verantwortlich gemacht werden.
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Projektbeschreibung
Bis heute basiert die Nachrichtentechnik zum größten Teil auf der 1948 veröffentlichten Arbeit von Claude E. Shannon, welche stark durch das Telefonnetzwerk dieser Zeit geprägt wurde. Die große Verbreitung mobiler Kommunikation, zusammen mit dem Aufkommen von Maschine-Maschine Kommunikation bringt in der heutigen Zeit eine exponentielle Steigerung der Datenraten mit sich. Dies führt dazu, dass die verfügbaren Modelle, die zum Entwurf der Systeme benutzt werden, nicht länger ausreichen um leistungseffiziente Hochgeschwindigkeitssysteme mit geringer Latenz zu entwickeln. Das übergreifende Ziel von RENEW ist es, die Datenraten des globalen Telekommunikationsnetzwerk zu steigern und gleichzeitig die nicht zu vernachlässigenden Auswirkungen auf die Umwelt anzugehen. Durch das grundlegende Überdenken der Verarbeitungsalgorithmen in Kernteilen des Kommunikationsnetzwerks hat RENEW das Potential, die Limitierungen der aktuellen Entwicklungsmethoden zu überwinden und sowohl die Komplexität, als auch den Energieverbrauch des Netzwerks signifikant zu reduzieren. Durch den Einsatz von aktuellsten Ergebnissen aus den Bereichen des Machine Learning, Reinforcement Learning, Optimierungstechniken und Neuromorphic Computing ist RENEW in der Lage, das Design von Kommunikationssendern und -empfängern neu zu erfinden. Dazu werden dünn verbundene Blöcke eingeführt, welche hohe Parallelisierbarkeit und hohen Durchsatz bei niedrigem Energieverbrauch garantieren. Außerdem wird RENEW neuartige Konzepte für extrem energieeffiziente Empfänger auf der Basis von Spiking Neural Networks erforschen, die eine Effizienzsteigerung um mehrere Größenordnungen versprechen. Die Realisierbarkeit der RENEW Konzepte wird anhand von hochrelevanten Anwendungen wie optischer Hochgeschwindikeitskommunikation oder leistungsarmen IoT Systemen demonstriert. Das Konzept hat das Potential, neuartigen energieeffizienten Kommunikationssysteme zu entwerfen.
Förderung
Dieses Projekt wird vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) im Rahmen des Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramms der Europäischen Union gefördert (grant agreement No. 101001899).
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Projektbeschreibung
Optische Übertragungssysteme bilden das Rückgrat der digitalisierten Welt, in der nahezu jedes Datenpaket im Internet über eine Glasfaser übertragen wird. Die Datenraten in optischen Netzen werden auch in Zukunft, durch neue Technologieanwendungen wie 5G und 6G befeuert, exponentiell steigen. Das nutzbare Spektrum einer Einmodenfaser ist praktisch ausgeschöpft. Als weitere Parallelisierungsdimension bietet sich hier Raummultiplex (engl. space-division multiplexing – SDM) über unabhängige Fasern sowie Mehrmoden-/Mehrkernfasern. Die Kapazitätssteigerung der Transceiver mittels SDM kann durch optisch gemultiplexte Superkanäle erreicht werden, bei denen mehrere Sender bzw. Empfängerstrukturen auf einem Chip integriert werden. Solch integrierte und kooperierende Terminal-Subsysteme werden in STARFALL analysiert und implementiert. Diese spielen eine Schlüsselrolle bei der kommerziellen
Umsetzung von leistungsfähigen und kosteneffizienten optischen Übertragungssystemen.
Erstes Ziel dieses Teilvorhabens ist die Entwicklung neuartiger Kammlaserquellen, die als optisches Netzteil für die in STARFALL entwickelte Terminalarchitektur fungieren werden. Das KIT fokussiert sich auf zwei Konzepte: Kammquellen auf Basis elektro-optischer Modulatoren und Kammquellen basierend auf Mikroresonatoren. Diese werden in einem SDM-Versuchsaufbau mit Mehrkernfaser und Offline-Prozessierung miteinander verglichen. Ein zweites Ziel dieses Teilvorhabens ist die Erforschung und Entwicklung neuer kooperierender DSP-Algorithmen, insbesondere zur codierten Modulation. Diese erlauben eine Terminalarchitektur mit einer flexiblen Datenverarbeitung, die eine große Bandbreite von Anwendungsszenarien mit unterschiedlicher Kopplung der Raumpfade abdeckt. Das KIT bringt seine Ergebnisse ein in einen gemeinsamen, im Verbund geplanten, Laboraufbau mit modularem Kammlaser, Echtzeit-Signalprozessierung und SDM-Faser ein. Mit diesem werden die Ergebnisse des Projektes demonstriert und validiert.
Förderung
Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert (Förderkennzeichen 16KIS1420).
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