Plan & Play – 5G-Campusnetze

Im Forschungsprojekt Plan & Play entwickeln TU Dortmund, Fraunhofer IML und Riedel Communications Werkzeuge und Lösungen, um 5G-Campusnetze ad-hoc zu planen und temporär zu betreiben. Kern ist der 5G Campusnetzplaner Pro mit skalierbaren Funkfeldberechnungen und KI-basierter Online-Netzplanung. Die Ergebnisse werden in Intralogistik-Szenarien und bei Großveranstaltungen, etwa auf dem Nürburgring, praktisch erprobt und dienen als Basis für zukünftige Anwendungen und Folgeprojekte rund um 5G-Campusnetze.

Plan & Play adressiert die Herausforderung, 5G-Campusnetze schnell, bedarfsgerecht und lokal aufzubauen, etwa für Forschungshallen, Logistik-Campus oder temporäre Großevents. Dazu werden im Projekt Anforderungen aus zwei disjunkten Anwendungsbereichen zusammengeführt: Intralogistik (Fraunhofer IML) und Veranstaltungsbetrieb (Riedel Communications). Eine gemeinsame Anforderungsanalyse, Systemarchitektur und Referenzszenarien bilden die Grundlage für die Entwicklung einer durchgängigen Lösung von der Netzplanung bis zum Realaufbau temporärer 5G-Campusnetze.

Ziel von Plan & Play ist es, die Planung und den Betrieb lokaler 5G-Campusnetze für zeitlich begrenzte Einsätze zu vereinfachen. Das Projekt verfolgt dazu mehrere Schwerpunkte:

• Entwicklung des 5G Campusnetzplaner Pro mit skalierbaren Funkfeldberechnungen 
• Integration von KI-basierter Online-Netzplanung mittels Reinforcement Learning 
• (Teil-)Automatisierung der Antragstellung bei der Bundesnetzagentur 
• Bedarfsgerechte Weiterentwicklung verfügbarer 5G-Lösungen für den temporären Einsatz 
• Validierung der Planungen in realen 5G-Campusnetzen und Demonstratoren 

So entsteht ein durchgängiger Prozess: von der Planung über die Konfiguration der 5G-Infrastruktur bis zur Bewertung unter Realbedingungen in intralogistischen Umgebungen und im Eventkontext.

Plan & Play verfolgt zwei eng verzahnte Schwerpunkte:

• PLAN: KI-basierte, automatisierte Netzplanung mit dem 5G-Campusnetzplaner Pro
• PLAY: Ertüchtigung und Erprobung von 5g-Campusnetzte für den temporären Einsatz

Zentrale Ziele:

• 5g-Campusnetzte mit einem Web-basierten Tool automatisiert planen 
• Antragsprozess für Frequenzen (BNetzA) technisch vorbereiten 
• 5g-Campusnetzte in realen Szenarien (Intralogistik, Rennsport) aufbauen und messen 

»Plan & Play zeigt, wie KI-basierte Netzplanung, flexible 5G-Hardware in der Intralogistik und bei Großveranstaltungen eine solide ad-hoc Kommunikationsinfrastruktur ermöglicht. Dies konnten wir im Projekt anhand von realen Demonstratoren, welche ad-hoc geplant, aufgebaut und unter Realbedingungen bewertet wurden, zeigen.«
Sönke Kaufmann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, forscht am Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML zu 5G-Campusnetzen

Im Arbeitskern von Plan & Play steht der 5G Campusnetzplaner Pro. Das Werkzeug wurde in mehreren Releases entwickelt und optimiert:

• Integration skalierbarer Funkfeldberechnungen, ausgezeichnet mit einem Best Paper Award des IEEE 
• KI-basierte Online-Netzplanung auf Basis von Reinforcement Learning 
• Berücksichtigung von Anwendungsanforderungen und regulatorischen Rahmenbedingungen 
• Nutzung freier externer Eingangsdaten zur Netzplanung 

Das Tool unterstützt die Konzeption lokaler 5G-Campusnetze, die sich an die Anforderungen der Intralogistik und des Veranstaltungsbetriebs anpassen. Die Validierung erfolgt anhand von Messkampagnen in Referenzszenarien am Fraunhofer IML und beim Partner Riedel Communications.

Intralogistik-Demonstratoren am Fraunhofer IML

Im Intralogistik-Use-Case von Plan & Play zeigen Demonstratoren am Fraunhofer IML, wie 5G-Campusnetze autonome Logistiksysteme zuverlässig vernetzen. Ein LoadRunner® wurde als Fahrerloses Transportsystem mit 5G-Technologie ausgestattet und in unterschiedlichen Intralogistik-Szenarien eingesetzt. Mobile Reflektorwände ermöglichen es, die mit dem 5G Campusnetzplaner Pro berechneten Funkfelder mit realen Messdaten zu vergleichen und 5G-Campusnetze gezielt für hochdynamische Sortieraufgaben zu optimieren.

Ein zentrales Beispiel ist der 5G-Logistik-Demonstrator auf dem Logistik-Campus des Fraunhofer IML während der 3rd 5G.NRWeek 2022: Das Campusnetz für den LoadRunner®‑Schwarm wurde mit dem 5G Campusnetzplaner Pro geplant, ad-hoc in der Halle aufgebaut und für die komplette Kommunikation des Packetsortier-Szenarios genutzt. So lässt sich nachvollziehen, wie gut simulierte und reale Netzperformance übereinstimmen und wie 5G-Campusnetze für intralogistische Anwendungen ausgelegt werden können.

5G-Campusnetze bei Großveranstaltungen

Für das Anwendungsfeld Großveranstaltungen demonstriert Plan & Play das Potenzial von 5G-Campusnetzen am Beispiel der Nürburgring-Rennstrecke. Riedel Communications setzte dort ein 5G-Campusnetz um, das zuvor mit dem 5G Campusnetzplaner Pro geplant wurde, um die Eignung von 5G-Campusnetzen für professionelle Event-Szenarien zu untersuchen.

Mit eigens entwickeltem Messequipment wurden Funkausbreitung und Netzeigenschaften erfasst und mit den intralogistischen Ergebnissen des Fraunhofer IML verglichen. Der Realdemonstrator Nürburgring bildet damit einen zentralen Baustein, um das Einsatzpotenzial temporärer 5G-Campusnetze für anspruchsvolle Anwendungen im professionellen Eventumfeld zu bewerten. 

Zur Weiterentwicklung der 5G-Infrastruktur für die Intralogistik entwickelte das Fraunhofer IML sogenannte Multi-Purpose User (MPU).

• Modul mit Single Board Computer und 5G-Modem 
• Anbindung von Anwendungen (z. B. AGV, LoadRunner®-Schwarm) über Ethernet 

Mit den MPU konnten unterschiedliche Netznutzer aufgebaut und ein umfangreicher Lasttest durchgeführt werden – sowohl im SDR-basierten 5G Campusnetz als auch in einem WiFi-Netz. Dabei zeigte sich:

• Das SDR-basierte 5G Campusnetz bietet bei hoher Teilnehmerdichte stabilere Latenzen und Datenraten als WiFi.
• Gleichzeitig traten bei hoher Auslastung im 5G-Netz Verbindungsabbrüche und Paketverluste auf, was auf die Umsetzung der 5G-Struktur auf handelsüblicher PC-Hardware mit SDRs zurückgeführt wird.

Das Ergebnis: SDR-basierte 5G-Campusnetze eignen sich gut für kleinere Tests und Forschungszwecke mit hoher Konfigurationsflexibilität, während für große reale Applikationen proprietäre Hardware für einen zuverlässigen Betrieb bevorzugt wird.

Plan & Play ist eng mit weiteren Aktivitäten im 5G.NRW Competence Center verknüpft. Eine Kooperation mit der Universität Duisburg-Essen und der TU Dortmund adressiert Edge-Computing und Re-Identifizierung industrieller Entitäten:

• Identifizierung und Re-Identifizierung von Palettenfüßen anhand natürlicher Merkmale 
• Übertragung eines Videostreams von AGV oder Drohne über ein 5G Campusnetz an eine Edge 
• Auswertung der Daten an der Edge zur Unterstützung intralogistischer Prozesse 

Wettbewerb 5G.NRW; Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen