Taktiles Internet

Die Zukunft des Mobilfunks

Professor Gerhard Fettweis befasst sich seit mehr als 20 Jahren mit der Zukunft des Mobilfunks. Aktuell erforscht er an der TU Dresden den Standard 5G. Dabei geht es nicht nur um schnellere Geschwindigkeiten. Für das „taktile Internet“, das in Echtzeit Nutzer, Geräte und Sensoren vernetzt, sind vor allem geringe Reaktionszeiten entscheidend.

Professor Gerhard Fettweis, TU Dresden

„Das taktile Internet ist eine Riesenchance für zahlreiche Branchen in Europa“, ist Professor Gerhard Fettweis überzeugt.

Herr Fettweis, wie begann Ihre Forschung rund um das „taktile Internet“?
Gerhard Fettweis:
Schon in den 90er-Jahren stellte ich mir die Frage, welche wohl die nächsten Schritte im Mobilfunk sein werden. Ich entwarf damals die sogenannte „Wireless Roadmap“. Dabei ging es darum, wie sich die Datenraten in welchem Zeitraum vervielfachen werden.

Entsprechend dem Mooreschen Gesetz?
Fettweis:
Genau: Verdoppelung alle 18 Monate, was einem Faktor 10 alle fünf Jahre gleichkommt. Das habe ich extrapoliert und erklärte damals, dass alle Beteiligten zusehen müssen, Datenraten von 100 Mb/s im Mobilfunk zu realisieren, sonst werde der Bedarf nicht adressiert. Die meisten hielten mich für verrückt. Irgendwann schwenkte die Community aber darauf ein und folgte dem Trend.

Vor gut sechs Jahren, als ich erneut überlegte, wie der Mobilfunk sich weiterentwickeln würde, konnte ich extrapolieren, dass wir 10 Gb/s Datenraten benötigen. Die Frage war für mich dann allerdings: Macht Datenrate allein glücklich? Oder haben wir etwas in dem menschlichen Umgang mit seiner Umgebung noch nicht adressiert? Was ist diese noch nicht ergründete Interaktion? Zufälligerweise kam ich mit Psychologen und Physiologen ins Gespräch, da wir gerade dabei waren, die Anträge für die Bundesexzellenzinitiative an der TU Dresden vorzubereiten. Wir diskutierten die Fragen nach der Reaktionszeit und Latenz. In der Humaninteraktion er­warten wir Menschen eine Reaktionszeit von einer Millisekunde (ms). Bekannt ist z. B. bei Flugsimulatoren, dass Menschen, die dort Steuerknöpfe oder Ähnliches bewegen, schlecht wird, wenn der Simulator mit mehr als einer Millisekunde Latenz reagiert. Das nannte sich „Simulator Sickness“, heute häufig „Cyber Sickness“. Je nach Konstitution und Situation gibt es auch Menschen, die 10 ms Latenz aushalten, aber spätestens dann ist die Grenze überschritten. Neben der reinen Datenrate spielt demnach die Reaktionszeit (Latenz) eine noch nicht adressierte Herausforderung für die Technik.

Stellten Sie dazu weitere Unter­suchungen an?
Fettweis:
Ja, es handelt sich um ein spannendes Phänomen: Wir führten Experimente durch, die als Videodemos übrigens zum Download auf 5glab.de bereitstehen. Die Versuchspersonen tragen Datenbrillen, davor sind Kameras installiert und die Latenz ist variabel am PC einstellbar. Versucht nun jemand, einen Ball zu fangen, hat dieser typischerweise die Geschwindigkeit von zehn Metern pro Sekunde, was einem Zentimeter pro Milli­sekunde entspricht. Wenn ich nun 5 ms Latenz zwischen den Kameras und dem einstelle, was die Versuchsperson sieht, dann fangen die Probanden den Ball also ungefähr fünf Zentimeter „falsch“. Bei 150 ms funktioniert gar nichts mehr. Diese Werte gelten nicht nur visuell, sondern auch haptisch: Wenn wir ferngesteuert ein Objekt bewegen wollen, z.B. Servolenkungen oder E-Bikes (wie schnell muss das Rad auf meine Pedalbewegungen reagieren?) – auch dort haben wir es mit dieser Millisekunde Latenz zu tun, ansonsten reagiert das Gerät nicht natürlich, sondern es fühlt sich an, als ob es gegen uns arbeitet. Diese Millisekunde Latenz gilt also nicht nur taktil-visuell, sondern auch taktil-haptisch.

Die Millisekunde ist die magische Grenze für Menschen?
Fettweis:
Ja – das ist allerdings nicht dogmatisch zu sehen, denn je nach Anwendung können es auch 2 oder 5 ms sein. Heute erreichen wir mit LTE – unter guten Bedingungen – 50 oder typischerweise bei 70 ms Latenz. Bei der Sprachkommunikation, also beim Telefonat, kann man von einer akzeptablen Latenz bei 100 ms ausgehen. Man kann sich ins Wort fallen, doch wir merken die Verzögerung nicht, wenn es nur bis zu 100 ms Latenz sind, was einer Zehntelsekunde entspricht. Bei den visuellen Interaktionen verhält es sich allerdings ganz anders.

Wie verhält es sich denn bei Interaktionen ohne menschliche Beteiligung, z.B. bei M2M-Anwendungen oder in der Robotik?
Fettweis:
Dabei spielt vielfach eine wichtige Rolle, dass es eine Eigenresonanzfrequenz des Roboters zu unterdrücken gilt. Dies ist auch in der Fertigungstechnik wichtig: Interagierende Gegenkräfte, die in Resonanz geraten, könnten ansonsten Bauteile zerstören. Auch hier liegt die Anforderung bei einer Milli­sekunde. Bei kleineren Robotersystemen sind zum Teil sogar 100 Mikrosekunden die Anforderung.

Hinsichtlich der Datenübertragung im ­Mobilfunk ist diese eine Millisekunde –  auch wenn die Technik aktuell noch nicht so weit ist – das Ziel?
Fettweis:
Ja, kurze Latenz heißt auch hohe Datenrate. Wird ein Kontrollpaket zur Steuerung eines Roboters übertragen, hat dies eine typische Größe von 10.000 Bit. Um die Millisekunde Latenz vom Sensor bis zum Aktor zu erreichen und der Steuerrechner in der Mitte noch Zeit zum Rechnen und Reagieren hat, sollte dieses Paket über die Luft z.B. nur zehn Mikrosekunden dauern. 10.000 Bit in zehn Mikrosekunden ergibt dann eine Datenrate von 1 Gb/s. Dies war in den alten Funksystemen natürlich nicht vorstellbar.

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Das ist also ganz grob die Theorie, mit der Sie sich am 5G Lab beschäftigen?
Fettweis:
Das ist die Vision des taktilen Internets, mit der wir uns im „5G Lab Germany“ auseinandersetzen. Daraus ergibt sich der direkte Bedarf, Anwendungsfelder zu verstehen. Denn wenn wir Autos automatisch steuern und Ampeln abschaffen ­wollen, dann müssen wir dafür Sorge tragen, dass dieses Netz garantiert und sicher verfügbar ist.

Wie lässt sich das realisieren?
Fettweis:
Heute liegen Paketausfallraten typischerweise in einem sehr gut geplanten Netz bei drei Prozent, hochgerechnet sind das über 40 Minuten Ausfall am Tag. In der Sprachkommunikation merken die Nutzer das nicht, dass einzelne Pakete verloren gehen. In der Datenkommunikation gibt es eine Retransmission, die die Nutzer auch nicht bemerken. Aber sie führt zu Latenz. Um diese zu vermeiden, muss nun das zu steuernde Objekt (z.B. Roboter oder Auto) über mehrere Funkfrequenzen von mehreren Basisstationen aus gleichzeitig angefunkt werden. Falls der eine Kanal aufgrund von Fading (Schwund) einbricht, steht eine andere Funkfrequenz von einer anderen Basisstation aus zur Verfügung und garantiert die Verfügbarkeit der Kommunikation. Anstatt wiederholtes Übertragen ist parallelisiertes Übertragen gefragt. Damit sind theoretisch Ausfallraten ähnlich denen, wie wir sie heute in Glasfasernetzen haben, erreichbar (10-5, oder für die Robotik sogar 10-8).

Um diese Anforderungen zu erfüllen, müsste die Netzstruktur und -architektur aber grundlegend anders aussehen, oder?
Fettweis:
Wenn wir heute telefonieren, reden wir mit einer Basisstation, die uns zugeordnet ist. Bewegen wir uns, erfolgt eine Übergabe zur nächsten Basisstation. Es wird also einfach die Kommunikation weitergeschaltet. Für das parallelisierte Übertragen brauchen wir nun eine Wolke von Basisstationen um uns herum, mit denen wir reden. Und dann müssen wir Funker immer die Begrenzung durch die Lichtgeschwindigkeit beachten. Von Dresden aus gesehen steht der nächste Google-Server in Krakau, das sind 1.000 Kilometer Leitungslänge pro ­Strecke, zusammen 6 ms Latenz. So geht es natürlich nicht. Wir benötigen lokale Steuerrechner an jeder Basisstation. Aber wir bewegen uns ja auch.

Wie lässt sich diese Aufgabe lösen?
Fettweis:
Indem die Steuerrechner verteilt mit in die Basisstationen des Mobilfunknetzes eingebaut werden und der Nutzer diese Steuerrechner auch virtuell „mitnehmen“ kann. So wie er sich im Netz bewegt, wird er dann auch von Steuerrechner zu Steuerrechner weitergereicht. Dafür muss natürlich das Stereoprogramm einiges leisten – Synchronität, Übergaben etc. Durch die Trajektorie der Bewegung gibt es die Chance, den nächsten Steuerrechner in der prognostizierten Bewegungsrichtung vorzubereiten. Aber das sind alles Techniken, die es noch nicht gibt!

Können Sie grob einen Plan zur Umsetzung dieser Ziele umreißen?
Fettweis:
Erstens: das taktile Internet verstehen. Zweitens: die „Mobile Edge Cloud“ realisieren – will ­heißen, dass die Steuerrechner stets an der Kante des Mobilfunk­netzes verfügbar sind, damit sie virtuell mitgenommen werden ­können. Drittens: Verständnis für ein neues Funkzugangsnetz entwickeln – auf Netzwerkseite wie auch auf Funkübertragungsseite, damit wir die Resilienzen, Raten und Latenz hinbekommen. Viertens muss das Ganze realisierbar sein: Wir müssen die passenden Chips und die richtige Hardware konstruieren. Sonst haben wir Dinge erdacht, die vielleicht mithilfe eines fußballfeldgroßen Rechners funktionieren aber nicht in einem Terminal oder Smartphone.

Können Sie ein Zeitfenster für die Realisierungen nennen?
Fettweis:
Erste Anwendungen könnten Edutainment-Szenarien für den Latein- oder Geschichtsunterricht sein. Die Schüler können sich Datenbrillen anziehen und virtuell durch das alte Rom laufen und sich gegenseitig auf Latein ansprechen: „Die Tunika hängt schief.“ Kurzum: Sie können, ganz anders als heute, interaktiv lernen. Dazu müssen die eigene ­Bewegung und die der anderen Nutzer komplett synchron, millisekundengenau übertragen werden. Dann können wir das tabellarische Lernen endlich durch ein Lernen, welches unserem Gehirnaufbau entspricht, ersetzen. Situationsabhängige Lernsysteme versprechen ganz andere Lernerfolge, sagen die Lernpsychologen.

Im beschriebenen Fall wäre eine WLAN-artige Realisierung mit einem noch zu entwickelnden neuen WLAN-System im Klassenraum möglich. In einem begrenzten Raum und Rahmen werden wir in fünf bis sieben Jahren erste Erfolge sehen. In der Breite wird der Siegeszug ca. 20 Jahre dauern.

Wie sehen Sie bezüglich der Realisierung solcher Anwendungen Europa, speziell Deutschland, im Gegensatz zu den USA aufgestellt?
Fettweis:
Der Mobilfunk ist ja in den USA geboren worden, an den Bell Labs. Er wurde durch den Erfolg von GSM dann aber weltweit aus Europa heraus dominiert, bis es die konzentrierte Aktion der amerikanischen Regierung gab, sich das Thema wieder zurückzuholen: In diesem Zusammenhang wurde Qualcomm gefördert usw. Wenn wir jetzt diese Chance, die Europa also schon einmal genutzt hat, erneut ergreifen, dann sehe ich für Europa große Möglichkeiten.

Was stimmt Sie so optimisch?
Fettweis:
Die möglichen Anwendungsfelder für das taktile Internet. Wenn wir es schaffen, Steuer- und Regelungsinfrastrukturen zu realisieren, zusätzlich – nicht alternativ – zu dem heute vorhandenen Netz, in dem wir lediglich Inhalte (Sprache, Daten, Videos) von A nach B schieben, ergeben sich große Chance für viele Branchen. In den Anwendungsfeldern, für die das neue taktile Internet von größter Bedeutung ist, ist Europa sehr stark.

Welche Branchen sind das?
Fettweis:
Insbesondere für die Bereiche Automotive und Mobilität, Gesundheit, Edutainment und Bildung sowie Unterhaltung, ganz besonders auch für die Energietechnik unter dem Stichwort „Smart Grids“, außerdem natürlich für die Produk­tionstechnik. Zusätzlich werden ganz neue Branchen entstehen. Die traditionellen Industrien werden durch das taktile Internet in den nächsten 20 Jahren stark umgekrempelt.

Dies ist eine Riesenchance für Europa, weil das Know-how vorhanden ist. Oder eine Riesengefahr, wenn wir nichts tun. Dann können wir diesen ganzen Branchen bald von weitem ­zugucken.

Wer muss die Impulse setzen?
Fettweis:
Hier muss die Aktivität aus den Branchen heraus kommen, aber, wie damals beim Thema GSM, die Politik muss durch Förderprogramme, Aufrufe etc. ihren Teil dazu beitragen. Als Verantwortlicher in den Firmen muss man heutzutage vor allem das nächste Quartal und Geschäftsjahr überleben. Das kenne ich selbst. Daher sind Forscher und Politiker aufgerufen, dieses Thema voranzubringen.

Beim bisher auf nationaler und EU-Ebene gezeigten Engagement der Politik bei digitalen Themen muss man dann wohl eher skeptisch sein …?
Fettweis:
Bisher war ich diesbezüglich auch sehr skeptisch, allerdings habe ich in den letzten Monaten gerade bei der sächsischen Landesregierung eine hohe Traktion erlebt. Ich merke, dass die Bundesregierung aufwacht, selbst im Bundeskanzleramt gab es lange Sitzungen und die Kanzlerin adressierte das Thema in öffentlichen Auftritten. 

In Dresden gibt es neben dem 5G Lab nun auch den Exzellenz-Cluster „Center for Advancing Electronics Dresden“. Was passiert dort genau?
Fettweis:
Dort geht es um Folgendes: Wir sind in Dresden mit Abstand der größte Halbleiterproduktionsstandort in Europa. Um die Zukunft zu sichern, gibt es an den meisten großen Standorten immer eine aktive Forschung auf dem Gebiet. Als der Ruf der Exzellenzinitative kam, überlegten wir: Sollen wir in Dresden die Siliziumtechnik weiter erforschen, in Konkurrenz zu anderen Standorten und Spitzen-Clustern? Oder sollen wir uns damit beschäftigen, was jenseits dieses Materials möglich ist?

Die richtige Frage ist diejenige nach neuen Materialen und Ansätzen, um der Elektronik einen Innovationsschub zu geben. Diese Themen werden massiv gefragt sein, spätestens in 20 Jahren, einzelne Themen schon in zehn Jahren. Unsere Idee war ein Exzellenz-Cluster, bei dem Materialforscher auf Biologen treffen und über Informationsverarbeitung in Zellen diskutieren. Außerdem Chemiker, Physiker, Informatiker, E-Techniker – viele Forscher haben wir zusammengezogen und forschen nun gemeinsam und entwerfen Schaltungen und Informationsverarbeitung für die Zukunft.

Was wären interessante Materialien oder Ideen jenseits des Siliziums?
Fettweis:
Das verrückteste sind DNA-Origami: Sie können DNA-Stränge heute künstlich produzieren. Die zwei Stränge kleben dann extrem eng verbunden in der Doppelhelix zusammen. Synthetisiert gebaut, ist es möglich, sie an ganz bestimmten Stellen zusammenkleben zu lassen, an anderen Stellen nicht. An den freien Stellen können andere Stränge andocken. Wir Forscher können frei programmieren und, wie beim Origami, Formen bauen. Wir nutzen dies als Template, als Gerüst, um dann andere Materialen auf diese DNA-Struktur aufzubringen und anschließend Elektronik in drei Dimensionen zu bauen. Ganz anders als heutzutage. Erste Versuche haben erste Erfolge gezeigt. DNA-Origami lässt sich für die optische Kommunikation nutzen, z.B. als kleine Sende- und Empfangsantennen.

Ein zweites Beispiel wäre Kohlenstoff, also Karbon anstatt Silizium. Kohlenstoffröhrchen oder -graphen lassen sich auf diese Weise konstruieren. Wir haben den einzigen Professor weltweit nach Dresden geholt, der Graphen gruppieren kann, der also den Halbleiter Karbon so mit Zusatzmolekülen in Gitter bauen kann, dass wir diese Konstruktionen dann für Elektronik nutzen können. Dresden ist desweiteren eines der Zentren der organischen Elektronik: Wir können hier beispielsweise mit Plastikfolie wackelige Solarzellen oder Lautsprecher bauen.

Bei all den Einblicken in künftige Materialien und Möglichkeiten: Was kommt davon Ihrer Meinung nach bald beim Endanwender an?
Fettweis:
Was sicher kommt, und daran forschen nicht nur wir in Dresden, ist erstens flexible Elektronik, die in Kleidung eingebaut wird. Das ist sicher auch beim Endanwender beliebter als Folie auf der Haut oder Ähnliches.

Zweitens glaube ich, dass sich 3D-Visualisierung durchsetzen wird. Mit mehreren Kameras im Smartphone können Nutzer z.B. ihr Wohnzimmer virtuell vermessen und abbilden. Damit können sie dann das Sofa beim Einkauf genau dort hinein­projizieren und live entscheiden, ob es passt. Wir lernen also, mit der echten Umwelt virtuell umzugehen – die Elektronik wird natürlicher werden.



Gerhard Fettweis …
… 
studierte Elektrotechnik an der RWTH Aachen, wo er im Anschluss an sein Studium 1990 promovierte. Als Gastwissenschaftler arbeitete er in den USA bei IBM und weiteren Firmen in Berkeley und San José. Seit 1994 ist er Lehrstuhlinhaber des Vodafone-Stiftungslehrstuhls Mobile Nachrichtensysteme am Institut für Nachrichtentechnik der TU Dresden. Er gründete zahlreiche Firmen, u. a. die Systemonic AG und Signalion in Dresden.


Technische Universität Dresden

Dort koordiniert Prof. Fettweis den Exzellenz-Cluster „Center for Advancing Electronics Dresden“ sowie das „5G Lab Germany“. Gemeinsam mit weiteren Professoren, Mitarbeitern und ­Forschungsstudenten der TU sowie namhaften Industriepartnern wird die Zukunft des Mobilfunks er­forscht, aktuell der kommende 5G-Funk. 5G soll Datentempo über zehn Gigabit je Sekunde und Nutzer ermöglichen und reaktionsschneller werden – eine wichtige Voraussetzung für das „taktile Internet“, welches in Echtzeit Nutzer, Geräte und Sensoren vernetzt.

 

 

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