Mobilfunknetze

Im Zuge der Entwicklung der 5. Generation des Mobilfunkstandards 3GPP wurden wesentliche Neuerungen eingeführt. Zu den bemerkenswertesten Neuerungen zählen die flexible Skalierbarkeit der physikalischen Übertragungsschicht, die Nutzung von Frequenzen im Millimeterbereich und das überarbeitete Design des Kernnetzes. Die physikalische Schicht des 5G-Standards ermöglicht unterschiedlich lange Symboldauern, wodurch vielfältige Anwendungen mit extremen Anforderungen an Latenz und Datendurchsatz unterstützt werden können. Durch den Einsatz höherer Frequenzen im Millimeterbereich ist es möglich, deutlich höhere Bandbreiten zu nutzen und einen deutlich höheren Datendurchsatz zu erreichen. Dies ist jedoch nur durch den Einsatz von Mehrantennensystemen mit einer großen Anzahl von Antennen möglich, die eine feingranulare Steuerung erfordern. Sämtliche Systemfunktionen wurden im Kernnetz neu definiert, neue Konzepte wie die Trennung von Steuerungs- und Datenebene und Virtualisierung wurden umgesetzt und das Kernnetz kann verschiedene kabelgebundene und kabellose Zugangstechnologien integrieren.

Im Bereich der Mobilfunknetze untersucht das CEL den Systemkontext der Mobilfunkkommunikation, wie moderne Kommunikationsalgorithmen in das System integriert werden können, wie die notwendigen Daten zum Betrieb der Algorithmen bereitgestellt werden können, welche Wechselwirkungen es im Gesamtsystem gibt und wie sich die Netzwerkarchitektur ändern muss, um diese Algorithmen zu unterstützen. Den folgenden Themenbereichen wird besondere Aufmerksamkeit geschenkt.

Optimierung drahtloser Netzwerke und Kommunikationssysteme durch maschinelles Lernen

Im Kontext von 5G wurde erstmals der (standardisierte) Einsatz von KI-Algorithmen in Mobilfunknetzen diskutiert. Am CEL erforschen wir, wie nachrichtentechnische Prozesse mithilfe von KI-Algorithmen verbessert werden können, z.B. Kanalkodierung oder Kanalentzerrer. Andererseits erforschen wir, wie der Betrieb von Mobilfunknetzen mit Hilfe von KI-Algorithmen optimiert werden kann, z.B. Mobilitätsprozesse oder Kommunikationsprotokolle. Neben den eigentlichen Algorithmen untersuchen wir, wie die notwendigen Daten erhoben und gespeichert werden können.

Dynamische und selbstoptimierende drahtlose Netzwerke

Mit den stetig steigenden Anforderungen an Mobilfunknetzen werden auch die eingesetzten Strukturen und Methoden immer komplexer, sodass der Betrieb und die Optimierung des Netzes automatisiert und an das Einsatzszenario angepasst werden müssen. Zu diesem Zweck untersucht das CEL, wie sich das Mobilfunknetz dynamisch an die Anforderungen anpassen kann, z.B. flexible Topologien (drohnengestützte Netzwerke) und resiliente Strukturen sowohl im Funkzugangsnetz als auch im Kernnetz.

Multimodale Kommunikations- und Informationsverarbeitungssysteme

Mobilfunknetze sind mittlerweile stärker an bestimmte Anwendungen gekoppelt, z.B. Automobile oder IoT. Dadurch werden Informationen aus anderen Domänen außerhalb der Mobilkommunikation relevant, z.B. Radarmessungen oder Videoaufzeichnungen. Das CEL untersucht, wie diese Informationen genutzt werden können, um gemeinsam mit der Anwendungsschicht den Betrieb eines Mobilfunknetzes zu optimieren, z.B. in der automatisierten Fernsteuerung von Robotern.

Integration von Kommunikations- und Cyber-Physischen Systemen

Mit dem 5G-Standard wurden auch Anwendungen stärker berücksichtigt, die extreme Anforderungen an Latenz und Zuverlässigkeit stellen. Neben der Dienstqualität auf der Funkschnittstelle ist die Integration in das gesamte Mobilfunksystem inklusive Kernnetz und Anwendung von wesentlicher Bedeutung, da Latenz und Zuverlässigkeit vom „schwächsten“ Glied im gesamten Übertragungsweg dominiert werden. Das CEL erforscht, wie die Integration der verschiedenen Mobilfunkdomänen mit Anwendungen bzw. End-to-End-Anforderungen umgesetzt werden kann.