Kommunikationssysteme

Symbolbild für globale Vernetzung
Symbolbild für globale Vernetzung © Thinkstock

Für sichere und zuverlässige Kommunikationssysteme

Durch Kommunikationssysteme intelligent vernetzte Wertschöpfungsketten ermöglichen systemische, energie- und ressourcenschonende Produktionsprozesse und neue Lösungen für Mobilität und Logistik. Die Entwicklung der Anwendungen verläuft hochdynamisch, wodurch die Anforderungen an Datenraten, Reaktionszeiten (Latenz), Zuverlässigkeit und Sicherheit immer höher werden. Schon 2015 wird das weltweite Datenvolumen auf 8,6 Zettabyte angewachsen sein, eine Zahl mit 21 Nullen. Das ist eine Verdreifachung gegenüber 2012 und bis 2020 wird eine Steigerung um das 14-fache erwartet. Die Investitionen von heute sind damit Investitionen in die Zukunftsfähigkeit des Standortes Deutschland.

Die Netzinfrastruktur besteht dabei einmal aus einem Backbone-Netz, in dem vor allem optische Technologien verbaut sind. Zur Weiterleitung an den Nutzer dienen heute vor allem DSL-Verfahren über einfache Kupferleitungen sowie drahtlose Zugangsnetze wie WLAN und LTE. Um diese Infrastruktur auf die steigenden Anforderungen hinsichtlich Verfügbarkeit, Sicherheit, Latenz und Bandbreite vorzubereiten, werden die heute weit verbreiteten Technologien wie DSL oder LTE in wenigen Jahren an ihre Grenzen stoßen. Mit DSL-Verfahren werden keine Datenraten jenseits eines Gigabits pro Sekunde über sinnvolle Distanzen erreichbar sein Hier werden in Zukunft optische Technologien eine wesentlich größere Rolle spielen. Auch drahtlose, auf LTE basierte Zugangsnetze werden weder die notwendigen Datenraten noch die Ende-zu-Ende Latenzen kleiner als 10 Millisekunden erfüllen können. Dies wird nur mit einem drahtlosen Zugangsnetz der nächsten Generation (5G) möglich sein. Die Forschungspolitik hat das Ziel, die notwendige Leistungsfähigkeit, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz dieser Netze zu verbessern, um die neuen Möglichkeiten der Informations- und Kommunikationstechnologie in verschiedenen Bereichen optimal nutzen zu können.

Neue Funktechnologien für schnelle Modernisierung

Die zukünftige Industrieproduktion wird gekennzeichnet sein von einer starken Individualisierung der Produkte und von der Kopplung von Produktion und hochwertigen Dienstleitungen, die in sogenannte hybride Produkte mündet. Um hoch flexible, komplexe, arbeitsteilige und geografisch verteilte Prozesse zu realisieren, sind allerdings neue Wege der Vernetzung dieser Industrieanlagen notwendig. Mit Hilfe innovativer drahtloser Funktechnologien kann es ermöglicht werden, Industrieanlagen schnell und kostengünstig zu modernisieren. In Industrieanlagen können komplex vernetzte Regelungsanlagen durch drahtlose Kommunikation wesentlich flexibler gestaltet werden, um die Individualisierung der Produkte zu ermöglichen und die Ausfallsicherheit der Produktion zu erhöhen.

In diesem Zusammenhang ist auch die Entwicklung des nächsten Mobilfunkstandards 5G zu nennen, der nicht nur Daten 1000-mal schneller übertragen soll als heutige Netze, sondern aufgrund der geringen Latenz und der höheren Zuverlässigkeit völlig neue Anwendungsmöglichkeiten bietet. So wird es möglich sein, dass Menschen und Objekte in Zukunft Roboter, Maschinen oder Autos in Echtzeit steuern, da die drahtlose Technologie mit minimalen Antwortzeiten zwischen Bewegung und Reaktion arbeitet. Dafür werden Funktionalitäten der nachgelagerten Netze nah an den Anwender in eine sogenannte „Mini Cloud“ herangeholt. Diese Mini Cloud bietet damit die gesamte im Cluster benötigte Funktionalität des Mobilfunknetzes sowie die in diesem Cluster angebotenen, zukünftigen Services. Ein solches lokales Cluster könnte zum Beispiel die Robotik eines Industriekomplexes steuern. In einer weiteren Stufe kann zukünftig eine sogenannte "Mobile Edge Cloud" mit Services und Netzfunktionen zum Rand der Infrastruktur des Mobilfunksystems, also direkt zu den einzelnen Mobilfunkstationen gebracht werden.

Sichere und zuverlässige Transportnetze

Die Grundvoraussetzung für die digitale Gesellschaft bilden die Transportnetze des Internets. Diese müssen, bedingt durch IPTV, Video Streaming und Clouds, wachsende Datenmengen sicher und zuverlässig transportieren. Dies stellt die Router vor immer größere Herausforderungen: Einerseits muss einer Überlastung der Übertragungskanäle vorgebeugt werden, andererseits müssen die Sicherheit der Datenpakete gewährleistet und der Energieverbrauch niedriggehalten werden.

Die derzeit üblichen IP-Router basieren auf elektronischen Technologien. Sie wandeln zunächst die optischen Signale in elektrische, verteilen diese auf die entsprechenden Netzwerkstränge und konvertieren sie wieder in optische Signale, die dann vom Glasfasernetz zum Empfänger transportiert werden. Solche Umwandlungsprozesse sind nicht nur sehr energieintensiv, sondern gleichzeitig auch Einfallstore für Angriffe von außen.

Durch integrierte optoelektronische Router kann die analog/digital-Wandlung des Signals vermieden werden. Die Knoten werden deutlich robuster, energiesparender und vor allem sicherer als bislang gebräuchliche Router.

Die Forschung kann durch gezielte Projekte dazu beitragen, dass neue Technologien in Deutschland und Europa entwickelt und zum Einsatz gebracht werden. Im Verbundprojekt SASER wird mit softwaregesteuerten optoelektronischen Routing-Komponenten ein neuer Weg beschritten, der einen erheblichen technischen Beitrag zu einer erhöhten IT-Sicherheit leistet. Gleichzeitig wird dadurch die Flexibilität und Skalierbarkeit der Netze verbessert und europäische Unternehmen können ihre Kernkompetenzen in wichtigen künftigen Schlüsseltechnologien ausbauen.

Intelligente softwaregestützte Kommunikationssysteme

Derzeit basiert die Kommunikationsinfrastruktur auf starrer, hochspezialisierter Hardware, die nur von wenigen Herstellern angeboten wird. Damit aber die fortschreitende Digitalisierung auch in die Kommunikationssysteme Einzug erhält, arbeiten die Technologieanbieter an intelligenten, softwaregestützten Kommunikationssystemen (software-defined networking – SDN) mit offenen Schnittstellen, an Netzvirtualisierung und an der Auslagerung von Netzfunktionen in Edge Clouds (network functions virtualization – NFV). Dadurch können sich die Netze dynamisch an die Bedürfnisse anpassen und Dienste genau dort zur Verfügung stellen, wo diese benötigt werden. Zusätzlich kann die Sicherheit durch intelligentes Routing, Netzvirtualisierung und dynamische Firewalls erhöht werden. Dies und die Offenlegung der Schnittstellen ermöglichen es auch kleineren Unternehmen, innovative Netzanwendungen für die Kommunikationssysteme zu entwickeln.

Quantenkommunikation

Die Quantenkommunikation spielt eine zentrale Rolle, um der wachsenden Bedrohung von unbefugten Zugriffen auf die Kommunikationsinfrastruktur zu begegnen. Sie erlaubt insbesondere die sichere Verschlüsselung von gesendeten Nachrichten durch Quantenkryptografie, kann aber auch für die künftige Vernetzung von Quantencomputern genutzt werden. Der BMBF-Förderschwerpunkt "Quantenkommunikation – Q.com" erforscht deswegen physikalische und nachrichtentechnische Grundlagen zur quantenkryptografisch gesicherten Datenübertragung in Glasfasern über eine längere Entfernung, so dass sie für zukünftige Anwendungen genutzt werden können. Bei Distanzen von mehr als 100 km sind dazu – analog zu klassischen Signalverstärkern – Quantenrepeater zur Auffrischung der Quanteninformation notwendig. Die für die Quantenkommunikation erforschten Technologien wie z.B. Quantenpunkte sind zudem die elementaren Bausteine für Quantencomputer. Die dafür notwendigen verschiedenen Forschungsdisziplinen der Physik (Quantenoptik und Halbleiterphysik) und der Ingenieurswissenschaften (Nachrichtentechnik) verfolgen dabei gemeinsam anwendungsrelevante Forschungsziele zur Quantenkommunikation.

Neue Dienste und Zukunftsfelder

Darüber hinaus widmet sich die Forschung den Anwendungsfeldern für Kommunikationstechnologien, um Bedarfe frühzeitig zu identifizieren und zu unterstützen. Nur so kann sichergestellt werden, dass Deutschland im Bereich der Kommunikationssysteme und IT-Sicherheit international wettbewerbsfähig bleibt.

Beispielsweise gehört die Medizintechnikbranche in Deutschland zu den innovativsten der Welt und ist insbesondere durch einen hohen KMU-Anteil geprägt. Allerdings haben es innovative Entwicklungen von mittelständischen Anbietern schwer, bis in die Operationssäle vorzudringen, da Kliniken häufig komplette Einrichtungen großer Hersteller nutzen. Geräte anderer Hersteller können in diese Gesamtlösungen gar nicht oder nur schwer integriert werden, da Standards für Datenaustausch und Vernetzung fehlen. Das Vorhaben OR.Net , mit rund 40 Partnern ein Spiegel der gesamten Branche, soll Technologien und Standards bereitstellen, damit Medizingeräte unterschiedlicher Hersteller vernetzt werden können und so neue Marktchancen für KMU entstehen.