Fokus/Ziel
Das Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung eines ganzheitlichen Konzepts für ein privates 5G Standalone (SA) Campus-Netzwerk am Standort "Unter den Eichen". Ein zentrales Ziel war die Migration einer energieautarken Wetterstation von einer konventionellen WLAN-Infrastruktur auf den modernen 5G RedCap (Release 17) Standard. Ziel war es, die Energieineffizienz des bestehenden WLAN-Setups zu überwinden, welche zu Ausfällen im Winter führte, und eine Forschungsplattform für Industrie 4.0-Anwendungen zu etablieren.
Architektur
- 5G Standalone (SA): Das Netzwerk nutzt eine reine 5G SA-Architektur, um native Funktionen wie Network Slicing und URLLC zu ermöglichen und Abhängigkeiten von veraltetem LTE zu vermeiden.
- Core-Network-Strategie: Das Projekt evaluierte Open5GS gegenüber free5GC. Open5GS (C/C++) wurde ausgewählt, da es robuster ("production-ready") und ressourceneffizienter ist und entscheidenderweise eine bessere Unterstützung für 5G RedCap-Signalisierungsanforderungen im Vergleich zum Go-basierten free5GC bot.
- RAN-Architektur: Ein Monolithic Small Cell (All-in-One) Ansatz wurde einer Split-RAN-Architektur vorgezogen, um die Hardwarekomplexität zu reduzieren und den Debugging-Aufwand für das studentische Forschungsteam zu minimieren.
Hardware
- RAN: Die CableFree Emerald 5G Small Cell wurde für die Outdoor-Basisstation ausgewählt. Sie bot einen "All-Outdoor"-Formfaktor und offene Interoperabilität mit Open5GS, was sich als kosteneffizienter und flexibler erwies als Konkurrenten wie Airspan oder Firecell.
- User Equipment (UE):
- Abgelehnt: Eine eigene Lösung mit einem Raspberry Pi 4 + Quectel RG255C M.2-Modul. Diese wurde aufgrund des hohen Stromverbrauchs (>7W) und fehlender Fähigkeiten für den Hostless-Betrieb als ungeeignet erachtet.
- Ausgewählt: Der Teltonika RUT976 Industrial 5G RedCap Router. Er wurde wegen seines geringen Leerlaufverbrauchs (<3W) und der digitalen I/O-Schnittstellen gewählt, die "Sleep Modes" ermöglichen, welche durch das Energiemanagementsystem der Wetterstation gesteuert werden.
Anwendungsfälle
- Wetterstation-Telemetrie: Der primäre Anwendungsfall umfasst die zuverlässige Übertragung von Sensordaten (Lambrecht Ser[LOG]) und Energiestatus (Victron Cerbo GX) während des gesamten Winters.
- Drohneninspektion (BVLOS): Nutzung der hohen Uplink-Kapazität des Netzwerks, um automatisierten Drohnen die Inspektion von Solarmodulen und Gebäudedächern mit 4K-Video und LiDAR in Echtzeit zu ermöglichen.
- Quantenschlüsselaustausch (QKD): Ein vorgeschlagenes Szenario zur Integration von QKD für einen "quantensicheren" Backhaul, um das Netzwerk gegen zukünftige Bedrohungen durch Quantencomputing abzusichern.
Ergebnisse
- Energieeffizienz: Das Projekt zeigte, dass 5G RedCap deutlich energieeffizienter ist als die alte WLAN-Lösung. Durch die Implementierung einer Intervallbetriebsstrategie mit dem Teltonika RUT976 wurde der tägliche Energieverbrauch auf 12 Wh (~0.5 W Durchschnitt) gesenkt, verglichen mit 320 Wh (~6 W) für den WLAN-Router. Diese massive Reduzierung stellt sicher, dass die Wetterstation auch an sonnenarmen Wintertagen betriebsbereit bleibt.
- Machbarkeit: Die erfolgreiche Implementierung bestätigte, dass ein privates 5G SA-Netzwerk unter Verwendung von Open-Source-Software (Open5GS) und kommerzieller Standardhardware (COTS) ein tragfähiger, kostengünstiger Entwurf (~11k EUR Investition) für universitäre Campus-Netzwerke ist.