Konnektivität für die Produkte der Zukunft

Vernetzungstechnologien sind aus Industrie und Alltag nicht mehr wegzudenken. Ob es um die Automatisierung von Mobilität und Produktion geht, vernetzte Produkte und die Software-definierte Fertigung von morgen oder virtuelle Realitäten – zahlreiche Branchen stehen vor einem großen Umbruch. Eines haben sie gemeinsam: Sie sind davon abhängig, dass große Datenmengen schnell, sicher und zielgerichtet ausgetauscht werden, in den meisten Fällen drahtlos.

Leistungsstarke und zuverlässige Netze sind die Grundlage für all diese Anwendungen. Um reibungslose Abläufe zu garantieren, müssen Schnelligkeit, Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit stets gewährleistet sein. Wir bei Bosch Research erforschen dazu innovative Vernetzungstechnologien und arbeiten an Konnektivitätsstandards.

2030 soll der neue Funkstandard 6G eingeführt werden. Damit können noch größere Datenmengen mit geringerer Latenz verarbeitet werden: 400 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) sollen dann erreicht werden und die Latenz im Bereich von Mikrosekunden liegen. Besonders im Hinblick auf das automatisierte Fahren besitzt 6G eine große Bedeutung, da dieser Standard gegenüber dem etablierten 5G zusätzliche Features über Kommunikation hinaus ermöglichen wird, zum Beispiel die Erfassung der Umgebung, ähnlich einem Radarsensor. Mit dem 5G-Netz können bereits heute die Positionen von vernetzten Fahrzeugen oder Verkehrsteilnehmern bestimmt werden. Durch Sensierung mit einer 6G-Antenne wird es möglich sein, wie mit einem Radarsystem auch passive Objekte zu detektieren.

Bis es so weit ist, bleibt die fünfte Generation des Mobilfunks im Einsatz – 5G. Schon jetzt ist damit die Übertragung von Datenmengen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 20 Gbit/s möglich – eine 200-mal höhere Übertragungsrate als bei 4G, auch LTE genannt, bei gleichzeitig nahezu Echtzeit-Verhalten. Während 4G und der Vorgängerstandard 3G mobiles Internet erstmals für den Endverbraucher nutzbar machten, wird 5G durch seine inhärenten Eigenschaften auch in weiteren Branchen zum Einsatz kommen. Dazu gehören unter anderem Automotive, die industrielle Fertigung (Industrie 4.0) und der Agrarsektor.

Zu den größten Herausforderungen im Forschungsfeld Vernetzungstechnologien gehören die Latenz bei der Datenübertragung und die Zuverlässigkeit der Verbindung. Eine Latenz im mittleren Millisekundenbereich bleibt von Menschen bei der mobilen Internetnutzung zwar unbemerkt, bei Industrieanwendungen ohne Einbindung eines Menschen kann diese minimale Verzögerung jedoch ein Hindernis bei der Realisierung darstellen oder gar zu Ausfällen führen.

Für industrielle Anwendungen und vernetzte Fahrerassistenzssysteme sind die Anforderungen an 5G dabei besonders hoch. Hier werden Verbindungen benötigt, die als extrem zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenzzeit (engl.: ultra reliable low latency communications, uRLLC) eingestuft werden und die eine Latenz von weniger als einer halben Millisekunde bieten. Für die Zuverlässigkeit sollen Werte erreicht werden, wie sie auch bei kabelgebundenen Verbindungen angenommen werden.

Bosch Research betreibt auch Forschung im Bereich der Gebäudetechnologien, zusammen mit dem Bosch Geschäftsbereich Building Technologies (BT). Zu dessen Produktportfolio gehören unter anderem drahtlose Konferenzanlagen. Diese Anlagen verbinden viele Geräte gleichzeitig über WiFi und sind damit anfällig für Störungen, wie sie auch aus Heimnetzwerken bekannt sind. Um bei der Verbindung das geforderte Maß an Zuverlässigkeit zu erreichen, arbeitet Bosch Research mithilfe von Algorithmen und künstlicher Intelligenz (KI) an der sogenannten „Predictive Quality of Service“. Diese beschreibt beschreibt die Fähigkeit eines Systems, Datenrate, Latenz und Verbindungsqualität vorausschauend zu sichern. Störungen sollen vom System bereits bei ihrer Entstehung oder sogar vorab erkannt werden, um Verbindungsfehler zu beheben, bevor es zu spürbaren Unterbrechungen kommt. So erhält die Anlage von der KI mit einem Vorlauf von 100 Millisekunden ein Signal, dass ein Problem vorliegt und sie beispielsweise den Kanal wechseln muss. Dies alles geschieht automatisch und von Konferenzteilnehmern unbemerkt.

Bei der Entwicklung von Vernetzungstechnologien für vernetzte Fahrzeuge (engl.: Vehicle to X, V2X) geht es dagegen vor allem um Verkehrssicherheit und Verkehrseffizienz. Hier arbeitet Bosch Research daran, mittels V2X-Nachrichten Autofahrer sowie e-Bike-Fahrer vor möglichen Kollisionen zu warnen. Zu unseren Forschungsthemen gehört auch, das automatisierte Fahren durch V2X zu unterstützen oder hohe Automatisierungsgrade überhaupt zu ermöglichen. Bosch hat hierzu Kommunikationsmechanismen entwickelt, die definieren, wie Fahrzeuge miteinander kommunizieren. In einem beispielhaften Szenario teilt ein Fahrzeug dabei anderen Fahrzeugen mögliche Routen mit, die zur Wahl stehen. Die anderen Fahrzeuge empfangen diese Nachricht und reagieren, indem sie ihre geplanten Trajektorien ebenfalls übertragen. Die Fahrzeuge handeln in diesem Zielszenario gemeinsam aus, wie das koordinierte Manöver aussehen soll, und passen ihre Trajektorien aneinander an.

Die Vernetzung von Fahrzeugen erlaubt uns auch, sogenanntes teleoperiertes Fahren umzusetzen. Hier wird ein Fahrzeug von einem Betriebszentrum aus ferngesteuert. Eines von vielen Einsatzszenarien ist zum Beispiel ein autonomes Fahrzeug, das an einer Baustelle stehen bleibt, weil es für die Fahrt in Baustellen nicht freigegeben ist. Eine Person im weit entfernten Betriebszentrum wird aufgeschaltet, sieht das Videobild der Fahrzeugkamera(s) und kann so das Fahrzeug im niedrigen Geschwindigkeitsbereich ferngesteuert fahren. Eine hochzuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz ist in diesem Anwendungsfall essenziell. Ähnlich wie im Beispiel des Konferenzraums oben kommt hier ebenfalls „Predictive Quality of Service“ zum Einsatz. Algorithmen erkennen frühzeitig Probleme bei der Verbindungsqualität und können die Datenrate reduzieren, um eine stabile Übertragung bei einer geringeren Bildqualität zu gewährleisten. Auch Informationssicherheit ist in diesem Anwendungsfall ein wichtiges Thema: Würde das System von Hackern angegriffen und die Steuerung von einem Dritten übernommen, könnte dies erhebliche Gefahren bergen. Und auch die Betriebssicherheit ist ein kritischer Faktor, weil Menschen zu Schaden kommen könnten, wenn die Steuerung, zum Beispiel aufgrund einer schlechten Verbindung, nicht hinreichend gewährleistet ist.

Drahtlose Netzwerke sind gegenüber Angriffen von außen deutlich vulnerabler als drahtgebundene Netzwerke. Daher spielen Verschlüsselungstechnologien eine große Rolle, um den Datenverkehr gegenüber Cyber-Angriffen abzusichern und Nutzerdaten zu schützen.