5GOpportunity - Softwarebasierte 5G Ad-hoc Netzwerke mit opportunistischer Frequenznutzung

Das Projekt 5GOpportunity widmet sich der essenziellen Aufgabe, die Kommunikationsinfrastruktur in kritischen Situationen zu stärken, in denen traditionelle Netze an ihre Grenzen stoßen oder ausfallen. Die Hauptaufgabe besteht darin, eine hochverfügbare und flexible Breitbandkommunikation zu entwickeln, die speziell für den Einsatz bei Katastrophen, Großschadenslagen oder überlasteten kommerziellen Netzen konzipiert ist.

Ein fiktives Einsatzszenario: Nach einem großflächigen Stromausfall oder einer Naturkatastrophe bricht die kommerzielle Kommunikationsinfrastruktur in einer Region zusammen. Rettungsdienste und BOS-Einheiten stehen ohne Verbindung da. 5GOpportunity ermöglicht hier den schnellen Aufbau einer autarken 5G-Ad-hoc-Kommunikation. Mobile, solarbetriebene Netzknoten werden rasch eingesetzt, um eine lokale Breitbandverbindung wiederherzustellen.

Dies erlaubt BOS-Kräften die lückenlose Koordination über ihre Standard-Mobilgeräte, den Austausch wichtiger Daten und die Nutzung von Echtzeit-Lageinformationen. Zusätzlich kann ein eingeschränkter Notfallzugang für die Bevölkerung bereitgestellt werden. Die Lösung überbrückt Kommunikationsausfälle effektiv, sichert missionskritische Prozesse und bietet unabhängige Konnektivität in Krisen.

Im Kern des Projekts steht die Erforschung und Implementierung von softwarebasierten, mobilen 5G Ad-hoc-Netzwerken, die nahtlos mit WLAN-Technologien integriert werden. Ein innovativer Ansatz ist die "opportunistische Frequenznutzung", insbesondere im ungenutzten Campusnetz-Spektrum zwischen 3,7 und 3,8 GHz. Dies ermöglicht die dynamische und störungsfreie Zuweisung von Frequenzen, um eine dedizierte und leistungsstarke Kommunikationsverbindung zu gewährleisten, ohne Primärnutzer zu beeinträchtigen.

Die entwickelten Lösungen sollen es BOS-Organisationen ermöglichen, ihre missionskritischen Anwendungen und Dienste – von der Sprachkommunikation bis zur Datenübertragung – auch bei fehlender oder defekter Infrastruktur zuverlässig zu nutzen. Dabei wird großer Wert auf die Kompatibilität mit handelsüblichen Smartphones und Mobilfunkgeräten (COTS-Geräte) gelegt, um eine schnelle Einsatzbereitschaft und einfache Handhabung zu gewährleisten. Ergänzend dazu wird die Energieautarkie der Systemkomponenten durch den Einsatz erneuerbarer Energien, wie Solarenergie, sichergestellt, was die Resilienz und Unabhängigkeit der Kommunikationslösung erheblich steigert.

Das Ziel ist die Schaffung einer modularen, skalierbaren und schnell einsetzbaren Kommunikationslösung, die die digitale Souveränität im Katastrophenschutz signifikant verbessert und eine entscheidende Rolle bei der Koordination und Durchführung von Hilfsmaßnahmen spielen kann.

Der Lösungsansatz von 5GOpportunity ist darauf ausgelegt, Kommunikationslücken in Krisensituationen zu schließen, in denen herkömmliche Netzinfrastrukturen versagen. Dies wird durch fünf zentrale Säulen ermöglicht, die eine resiliente und flexible Breitbandkommunikation schaffen:

1. Softwarebasierter (SDN) Multi-Hop-Richtfunk: Diese Säule bildet das Rückgrat der Lösung. Durch den Einsatz von Software-Defined Networking (SDN) wird eine hochflexible und dynamisch konfigurierbare Funkverbindung geschaffen. Mobile Richtfunkknoten können schnell und bedarfsgerecht eingesetzt werden, um ein drahtloses Backbone zu bilden. Dieses Multi-Hop-System überbrückt große Distanzen, umgeht Hindernisse und ermöglicht eine robuste Verbindung auch in komplexem Gelände oder bei Ausfall der festen Infrastruktur. Die softwaregesteuerte Natur erlaubt eine adaptive Routenführung und Ressourcenverwaltung, was die Ausfallsicherheit und Effizienz des Netzes erheblich steigert.

2. Opportunistische Frequenznutzung: Ein entscheidender Innovationspunkt ist die intelligente und dynamische Nutzung des Campusnetz-Frequenzbandes (3,7 - 3,8 GHz). Dieses Spektrum ist an vielen Orten lizenziert, aber oft ungenutzt. 5GOpportunity entwickelt Technologien für "Spektrum Sensing", die es ermöglichen, freie Frequenzbereiche in Echtzeit zu identifizieren. Dadurch kann das System diese Frequenzen opportunistisch und störungsfrei für die eigene Kommunikation nutzen, ohne Primärnutzer zu beeinträchtigen.

3. Heterogene Integration von WLAN und 5G: Die Lösung kombiniert die Stärken von 5G und WLAN, um eine vielseitige und leistungsfähige Zugangsebene zu schaffen. 5G dient dabei als leistungsstarke Technologie mit hoher Reichweite. WLAN ergänzt dies für lokale Hotspots und die Anbindung einer breiteren Palette von Endgeräten. Die nahtlose Integration beider Technologien in einem heterogenen Netz mit gemeinsamer Authentifizierung ermöglicht eine optimale Ressourcennutzung und bietet den Nutzern maximale Flexibilität und Konnektivität, je nach den spezifischen Anforderungen des Einsatzortes.

4. COTS-Geräte: Die Praktikabilität der 5GOpportunity-Lösung wird durch zwei weitere Aspekte gewährleistet. Zum einen setzt das Projekt auf die Kompatibilität mit Commercial Off-The-Shelf (COTS) Smartphones und Tablets. Dies bedeutet, dass Einsatzkräfte ihre vertrauten Geräte nutzen können, ohne auf spezielle, teure oder schwer verfügbare Hardware angewiesen zu sein.

5. Energieautarkie: Die Energieautarkie wird durch den Einsatz von Solarstrom und energieeffizienten Systemkomponenten sichergestellt. Dies ist in Katastrophenfällen, in denen die reguläre Stromversorgung zusammenbricht, von entscheidender Bedeutung und ermöglicht einen unabhängigen und langfristigen Betrieb der Kommunikationsinfrastruktur.

Diese fünf Säulen zusammen bilden ein robustes, flexibles und schnell einsetzbares Kommunikationssystem, das die digitale Souveränität und Handlungsfähigkeit in Krisen erheblich verbessert.