6GEM-Plenum mit erfolgreichen Testfeld-Demonstrationen in Dortmund

6G-Forschungshub trifft sich in Dortmund, um neueste Fortschritte in der Mobilfunkforschung zu diskutieren

Mitte Juni 2023 fand in Dortmund das vierte Plenumstreffen des vom BMBF-geförderten Forschungshubs 6GEM mit mehr als 130 Teilnehmerinnen und Teilnehmern statt. Neben Projektleiterinnen und Projektleitern, Postdocs, Doktorandinnen und Doktoranden aus den beteiligten Universitäten und Fraunhofer-Instituten nahmen auch eine Delegation aus Japan sowie Industriepartner aus verschiedenen Mobilfunkdomänen teil. Das Treffen, das vom Lehrstuhl für Kommunikationsnetze der TU Dortmund (Prof. Dr.-Ing. Christian Wietfeld) gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen der TU Dortmund und dem Fraunhofer IML (beide Prof. Dr.-Ing. Michael ten Hompel) organisiert wurde, fand in den Räumen des Logistik Campus Dortmund statt. Das umfangreiche Programm wurde durch eine Fachausstellung begleitet, die mehr als sechzig 6GEM-Poster aktueller Arbeiten sowie 15 Demonstratoren präsentierte.

Darüber hinaus wurden nationale und internationale Transfer- und Kooperationsmöglichkeiten im Rahmen einer Präsentation von Prof. Tokuda, des Präsidenten des japanischen National Institute Of Information And Communications Technology (NICT), sowie innerhalb eines vom Competence Center 5G.NRW organisierten Technologie-Panels diskutiert. Das Panel wurde von Frau Monika Gatzke (Geschäftsführerin vom CC5G.NRW) geleitet, die nach einem Impuls von Herrn Dr. Michael Meyer (Head of Ericsson Research Germany) mit weiteren hochrangigen NRW-Industrievertretern (siehe Bild), die Chancen und Herausforderungen aktueller 6G Forschungsaktivitäten diskutierte.

Erfolgreiche 6GEM-Demonstration in 6G Testfeldern

Ein Höhepunkt des Programms waren umfangreiche Demonstrationen aus drei von insgesamt sechs 6GEM Testfeldern (s.u. für Überblick zu 6GEM Testfeldern), wobei der Fokus der Präsentation auf den Testfeldern aus den Anwendungsbereichen Logistik, Sicherer Straßenverkehr und Rettungsrobotik lag. In einer kombinierten Demonstration der Testfelder Intralogistik und sicherer Straßenverkehr konnten die TU Dortmund und das Fraunhofer IML gemeinsam Herausforderungen zuverlässiger, teleoperierter Mobilität präsentieren. Aspekte des sicheren Straßenverkehrs wurden auf einer Teststrecke der Ovalbahn im Aldenhoven Testing Center (ATC) betrachtet und im Maßstab 1:10 in eine Versuchsumgebung überführt. Neben einem immersiven Laserprojektionssystem zur visuellen Abbildung werden im Maßstab 1:10 kleinskalierte Fahrzeugplattformen (F1/10) verwendet, um vollumfängliche Vehicle-to-Everything (V2X) Testserien betreiben zu können. Hierzu werden die vom Motion Capture System erfassten Positionen der Fahrzeuge in den echtzeitfähigen digitalen Netzwerkzwilling integriert. Dieser bietet die Möglichkeit, die einzelnen Drahtloskommunikationsverbindungen der realen Fahrzeuge und auch simulierten Fahrzeuge in entsprechenden Kanalmodellen unter Berücksichtigung von blockierten Sichtverbindungen (Non Line-of-Sight, NLOS) durch virtuelle Objekte zu betrachten. In der Modellierung wird ebenfalls die Skalierung der Testumgebung berücksichtigt, sodass die Distanzen in der Versuchshalle den Kanalbedingungen der 10-fachen Distanz in der Realumgebung entsprechen. Abschließend werden die berechneten, verbindungsorientierten Empfangsleistungen entsprechend der betrachteten Übertragungstechnologie (zum Beispiel Mesh) in ein Ende-zu-Ende Verhalten beispielsweise in Form von Datenratenbeschränkungen überführt und diese wiederum auf den tatsächlichen Fahrzeugen umgesetzt. Impressionen des beschriebenen, skalierten Realdemonstrators und der Präsentation, während der 6GEM General Assembly am 14.06.2023 in Dortmund sind als Video verfügbar unter: http://tiny.cc/6GEMAutomotiveDemo

Einblicke in das Testfeld Rettungsrobotik

Das kollaborative 6GEM-Team des Testfelds zum Anwendungsbereich Rettungsrobotik unter der Leitung des Lehrstuhls für Kommunikationsnetze der TU Dortmund konnte in einem schrittweisen Entwicklungsprozess 6G-Netzwerkkonzepte von den anfänglichen Labor- und Testbed-Transferumgebungen zunehmend auf die authentischen Indoor- und Outdoor-Testgelände des Deutschen Rettungsroboterzentrums (DRZ) übertragen. Im Ergebnis präsentierten die Teams der TU Dortmund und der Ruhr-Universität Bochum (RUB) während der vierten Mitgliederversammlung in Dortmund zwei Live-Demonstrationen auf dem Gelände des DRZ (Living Lab) mit den Forschungsschwerpunkten zuverlässige Ad-hoc-Kommunikation, sowie hochpräzise Lokalisierung.

Zum einen konnte im Indoor-Bereich des DRZ Living Labs ein kürzlich veröffentlichtes Ad-hoc-Positionierungssystem namens BYOPS (Bring Your Own Positioning System) vorgestellt werden, dass die funkbasierte und infrastrukturfreie Lokalisierung von Rettungskräften in unbekannten Einsatzgebieten ermöglicht. Dabei wurde anhand eines authentischen Benchmark-Szenarios demonstriert, wie ein geländegängiger Roboter auch unter widrigen Funkbedingungen zuverlässig lokalisiert werden kann.

Als Highlight hat das Team von Prof. Dr.-Ing. Christian Wietfeld (TU Dortmund) tiefe Einblicke in verschiedene Facetten eines authentischen Search & Rescue-Einsatzes in der DRZ-Outdoor-Umgebung gewährt und in einer lebhaften Diskussion mit einer Vielzahl an Besucherinnen und Besuchern vertieft. Innerhalb des Szenarios hat eine aus fünf Robotersystemen mit unterschiedlichem Fähigkeitsrahmen bestehende Rettungsrobotikeinheit einem Dummy als vermisste Person in einem nachgebildeten Katastrophenszenario gesucht und nachfolgend erste Rettungsmaßnahmen eingeleitet. Die 6G-basierte Konnektivität aller beteiligten Roboter wurde durch einen im 6GEM-Projekt entwickelten Multi Connectivity-Ansatz realisiert und im Testgelände für besonders harsche und authentische Kommunikationsumgebungen validiert und gehärtet. Hierbei hat sich das Team der TU Dortmund sowohl im Testfeld platzierte, passive Störobjekte wie zum Beispiel Seecontainer, Betonröhren oder Schutt, sowie aktive Stresstestverfahren, die über ein eigens entwickeltes Framework zu Emulation von Störeinflüssen umgesetzt werden (vSTING, s.u.), zunutze gemacht. Der für Rettungseinsätze besonders robuste Multilink wird flexibel vom mobilen Kommunikationslabor der TU Dortmund gesteuert und dient im Rettungsszenario als Einsatzleitzentrale (Mission Control). Zusätzlich erfasste ein mmWave-basierter Vitalzeichensensor der RUB emulierte Vitalzeichen des Dummys, woraufhin die Rettungsmission erfolgreich abgeschlossen wurde. Das folgende Video gewährt Einblicke in die betrachteten Aspekte resilienter 6G Kommunikation, Bereitstellung immersiver Lagebilddarstellung, sowie sicherer Multi-Roboter-Steuerung.

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Die Fähigkeiten der Ad-hoc-Positionierung (Indoor) und der Bereitstellung einer zuverlässigen 6G-Unterstützung für ein umfassendes Situationsbewusstsein und eine sichere Multi-Roboter-Steuerung (Outdoor: Search & Rescue) erfüllen und übertreffen teilweise die für den 6GEM-Meilenstein 3 (M24) definierten Ziele hinsichtlich komplexer Rettungsrobotik-Szenarien vollständig.

6G Testfelder des 6GEM Forschungshubs NRW

Der 6G Forschungshub 6GEM trägt dazu bei, eine Grundlage für die Gestaltung der 6G-Technologielandschaft in Deutschland zu schaffen, indem es deutschen (und europäischen) Unternehmen die Möglichkeit bietet, die entwickelten Technologietesteinrichtungen kontinuierlich zu diskutieren und in eigenen Testreihen einzusetzen.

Vor diesem Hintergrund bietet der 6GEM Hub sechs umfangreiche 6G Testfelder, die als Grundlage einer agilen und anwendungsorientierten 6G Technologieentwicklung die wichtigsten Herausforderungen im Bereich der folgenden heterogenen Anwendungsbereiche abdeckt.

Hafenlogistik – Duisburg

Der trimodale Duisburger Hafen ist der größte Binnenhafen der Welt und mit jährlich mehr als 4 Millionen umgeschlagenen Containern die führende Logistikdrehscheibe in Zentraleuropa. Aktuell entsteht unter der Leitung von 6GEM-Wissenschaftlern ein 5G-Testfeld für die sichere und teilautomatisierte Steuerung der Container-Krane auf dem trimodalen Duisburger Hafen. Gemeinsam mit der Deutschen Telekom und weiteren Unternehmen werden in 6GEM Schlüsseltechnologien und flexible Physical-Layers für einen vollautomatischen Hafenbetrieb (inkl. selbstfahrender Zügen und LKW) entwickelt und erprobt. Insbesondere soll 6G die vollautomatische Kranfahrt und Fernwartung der Krane ermöglichen.

Smart Hospital – Essen und Düsseldorf

Das Universitätsklinikum Düsseldorf (UKD) ist das größte Krankenhaus in der Landeshauptstadt und eines der wichtigsten medizinischen Zentren in NRW und treibt in den letzten Jahren die Digitalisierung in Forschung, Lehre und Krankenversorgung massiv voran – auch mit dem einzigen, alle Fakultäten übergreifenden Schwerpunkt Künstliche Intelligenz. Das UKD ist Konsortialführer des NRW-finanzierten Innovationsprojekts „Giga for Health“ und realisiert damit den europaweit ersten 5G-Medizincampus mit der zurzeit schnellsten Datenübertragungstechnik für medizinische Anwendungen in der universitären Krankenversorgung, Forschung und Lehre. Aufbauend hierauf sollen 6G-basierte Technologien für medizinische Anwendungen in 6GEM erprobt werden.

Die Universitätsmedizin Essen (UME) nimmt in Deutschland eine Vorreiterrolle als „Smart Hospital“ ein. Effiziente Datenflüsse auf Basis der digitalen Patientenakte, Integration von innovativen Technologien und Künstlicher Intelligenz sowie ausgeprägte Vernetzung unter Beachtung des Datenschutzes sind die ideale Basis für die Weiterentwicklung klinischer Patientenversorgung und Forschung. Ziel ist es, durch eine „Smart Hospital Information Platform” (SHIP), ein „Smart Hospital Patientenportal” (SHoP), eines Datenintegrationszentrum und anderer innovativer Technologien (VR/AR, Robotik, 3D-Druck etc.) eine auf 6G-Schlüsseltechnologien basierende personalisierte, präventive, prädiktive, partizipative Präzisionsmedizin weiterzuentwickeln, die aber gleichzeitig als empathische Medizin den Menschen in den Fokus stellt.

Intralogistik – Dortmund

Das Fraunhofer IML verfügt über verschiedene Testfelder zur Erprobung innovativer Logistiksysteme. Für 6GEM besonders relevant sind zwei Forschungshallen mit insgesamt 1650 m² Fläche, die es durch ein hochgenaues, in dieser Skalierung international herausragendes Motion Capture System erlauben, hunderte bewegliche Objekte in Echtzeit mit einer Genauigkeit im Submillimeter-Bereich zu erkennen und zu verfolgen. In Kombination mit dem zellularen Hochgeschwindigkeitslogistiksystem Loadrunner können so anspruchsvollste 6G Szenarien in Bezug auf echtzeitfähiger Kommunikation und Lokalisierung abgebildet werden.

Sicherer Straßenverkehr – Aldenhoven Testing Center

Seit 2009 bietet das Aldenhoven Testing Center (ATC) auf dem ehemaligen Zechengelände Emil Mayrisch in Aldenhoven mit zwölf Fahrzeug-Teststrecken hervorragende Bedingungen für Forschung, Entwicklung und Absicherung von sowohl einzelnen Systemen als auch Gesamtfahrzeugen. Klassische Elemente wie eine Ovalbahn, eine Fahrdynamikfläche sowie ein Handlingkurs sind hier ebenso vorhanden wie die hoch variable Stadtumgebung und ein Autobahn-Abschnitt. Auf dem gesamten Testgelände steht neben einer vollständigen WLAN-Abdeckung mit dem 5G Mobility Lab, eine Kooperation mit Vodafone, eine der modernsten Mobilfunk-Entwicklungs- und Prüfumgebungen für den vernetzten und autonomen Verkehr der Zukunft zur Verfügung. Das ATC bietet somit eine einzigartige Plattform zur Demonstration und Erprobung zukünftiger Kommunikations- und Lokalisierungstechnologien, wie sie mit 6G zu erwarten sind und in 6GEM entwickelt werden.

Rettungsrobotik – Dortmund

Das Deutsche Rettungsrobotikzentrum (DRZ) in Dortmund erforscht mit Unterstützung des BMBF mobile Robotersysteme für die zivile Gefahrenabwehr in einem sogenannten „Living Lab“. Eine Besonderheit des Labors sind die angeschlossenen, innen und auβen liegenden Versuchsflächen, auf denen die vernetzten Systeme gemeinsam mit Anwendern auf ihre Einsatztauglichkeit in verschiedenen Szenarien erprobt werden. Über mobile Absorberwände können funktechnische 6GEM-Szenarien erzeugt werden, die die für die Vernetzung der Rettungsroboter essentiellen Funksysteme vor große Herausforderungen stellen.

Produktion – Aachen

Der 5G-Industry Campus Europe (5G-ICE) ist eine Forschungsinfrastruktur für die Validierung von 5G in der Produktion und befindet sich auf dem Campus Melaten der Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen. Diese komplette und einzigartige 5G-Infrastruktur wird mit 6GEM in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT), dem Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen und dem Forschungsinstitut für Rationalisierung (FIR) e. V. der RWTH Aachen und Ericsson als 5G-Netzausrüster sukzessive auf 6G erweitert.

Weitere Informationen:

6GEM Online-Auftritt: https://www.6gem.de/de/
BMBF Übersicht zu 6G Forschungshubs: https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/forschung/kommunikationssysteme/6g-forschungs-hubs
Publikation zu 6GEM Entwicklung BYOPS: Schmickmann, M. Haferkamp, J. Tiemann, C. Wietfeld, „Bring Your Own Positioning System: An Infrastructure-free and Omnidirectional UWB-based Localization Approach“, In 2023 IEEE 97th VTC-Spring, Florenz, Italien, Juni 2023. [pdf][Details]
Publikation zu vSTING Framework: Patchou, J. Tiemann, C. Arendt, S. Böcker, C. Wietfeld, „Realtime Wireless Network Emulation for Evaluation of Teleoperated Mobile Robots“, In 2022 IEEE International Conference on Safety, Security, and Rescue Robotics (SSRR), Sevilla, Spain, November 2022. [pdf]