Drohnen im 5G-Netz: Neue Einsatzmöglichkeiten dank Mobilfunktechnik

Das Zeitalter der 5G-Drohnen beginnt – Was wird alles möglich?

Die Steuerung von Drohnen per Mobilfunktechnik bietet im Vergleich zur herkömmlichen Kommunikation über WLAN diverse Vorteile. Vor allem für den autonomen Drohnenflug sowie für die Übertragung großer Datenmengen aus entlegenen Regionen bietet eine Mobilfunkverbindung für Drohnen weitreichende Vorteile.

Bereits das seit vielen Jahren bestehende 4G-Netz (LTE) bietet hier gute Möglichkeiten. Mit SIM-Karten ausgestattete Drohnen können theoretisch unbegrenzt weit geflogen von einem beliebigen Ort aus bedient werden. Doch immer neue Anforderungen an die Bandbreite und Latenz werfen hier Grenzen auf. Das neue 5G-Netz soll hier Abhilfe schaffen und weitere Einsatzmöglichkeiten für Drohnen bieten.

WLAN vs. Mobilfunktechnik

Drohnen Controller WLAN-Übertragung.

Im Hobby- und Amateurbereich erfolgt die Kommunikation zwischen Fernsteuerung und Drohne üblicherweise über WLAN. Für Steuerbefehle wird meistens die 2,4 GHz-Frequenz genutzt. Die Übertragung von Livebildern bei Kameradrohnen nutzt häufig den 5,8 GHz-Frequenzbereich. Die WLAN-gestützte Übertragung reicht für den Privatgebrauch normalerweise vollkommen aus, da die zu überbrückenden Entfernungen nicht allzu hoch sind.

Auch die Datenmengen halten sich in Grenzen, da das hochauflösende Foto- und Filmmaterial meistens lokal auf einer Speicherkarte gesichert wird. Der FPV-Livestream wird meist in 720p übertragen, was für die Steuerung und Vorschau der Ergebnisse ausreichend ist.

Im professionellen Bereich gelangt man mit einer WLAN-Verbindung jedoch schnell an Grenzen, da Drohnen oftmals längere Distanzen zurücklegen müssen. Auch die zu übertragenden Datenmengen sind oftmals höher, da für viele Anwendungsszenarien hochauflösende Videos in Echtzeit übertragen werden müssen.

Vor allem im Bereich der Fernüberwachung von ausgedehnten Industriekomplexen oder Agrarflächen oder auch bei Transport- oder Rettungseinsätzen müssen oft große Distanzen überbrückt werden. Die Aufrechterhaltung eines stabilen Signals und die kontinuierliche Datenübertragung in hoher Qualität sind hier essentiell. Ein neuer Kommunikationsweg abseits von WLAN ist daher unumgänglich, um die neuen Anforderungen an Drohnen bedienen zu können.

Mobilfunknetze verfügen über die nötige Bandbreite und ermöglichen auch den professionellen Einsatz von Multicoptern fern ab der Zivilisation, ohne dass ein Drohnen-Pilot vor Ort sein muss.

Was kann 4G (LTE) und was wird durch 5G-Drohnen möglich?

5G Mobilfunk für Drohnen.

Während die Bandbreite des 4G-Netzes bereits für diverse Drohnen-Anwendungen ausreichend ist, werden in der Zukunft neue Anforderungen an die Übertragungsqualität gestellt werden, die nur durch 5G möglich werden. Auch die Vernetzung von Drohnen sowie der koordinierte Einsatz ganzer Drohnen-Flotten stellen hohe Anforderungen an die eh schon ausgelasteten Mobilfunknetze dar.

Für Anwendungen, bei denen es vor allem auf eine hohe Reichweite der Funkverbindung ankommt und hochauflösendes Videomaterial zunächst gespeichert werden kann, ist eine Mobilfunkverbindung über 4G fast immer ausreichend. Wenn jedoch große Datenmengen in Echtzeit gestreamt werden sollen, kommt das LTE-Netz schnell an seine Grenzen.

Die flächendeckende Einführung des 5G-Netzes ist daher für viele kommenden Applikationen mit Drohnen äußerst wichtig. Das 5G-Netz soll dabei natürlich nicht nur von Drohnen genutzt werden. Vor allem die Kommunikation und der Datenaustausch zwischen Mobilgeräten steht im Vordergrund. Auch selbstfahrende Autos, das Internet of Things (IoT), Smart Cities oder die Industrie 4.0 werden vom Netz profitieren.

Der neue Mobilfunkstandard wird Datenraten von bis zu 10 Gbit/s ermöglichen. Das LTE- bzw. 4G-Netz schafft aktuell nur maximal ca. 300 Mbit/s. Auch die Latenz der Datenübertragung zwischen Servern und Endgeräten wird sich bei 5G um ca. das 5- bis 6-fache gegenüber 4G reduzieren.

Da die möglichen Anwendungsszenarien von 5G weit über den reinen Mobilfunksektor hinaus gehen, sprechen sich mittlerweile viele dafür aus, 5G nicht nur als neuen Mobilfunkstandard, sondern als neuen Kommunikationsstandard zu bezeichnen.

Ist ein eigenes Kommunikationsnetzwerk für Drohnen sinnvoll?

Aufgrund der bereits jetzt sehr hohen Auslastung des bestehenden LTE-Netzes und der voraussichtlich ebenfalls hohen Frequentierung des kommenden 5G-Netzes stellt sich die Frage, ob nicht eventuell ein ausschließlich für Drohnen konzipiertes Kommunikationsnetzwerk sinnvoll wäre.

Diese Frage beantwortet der aus Casablanca in Marokko stammende Forscher Aymen Fakhreddine derzeit wie folgt: „Ein eigens dafür ausgelegtes, neues Netzwerk wäre sehr teuer. Ich denke, dass Netzwerkanbieter in den nächsten fünf bis zehn Jahren die Drohnen in ihre bestehende Infrastruktur integrieren werden. Erst später kann über den Bedarf und die Umsetzbarkeit einer speziell dafür vorgesehenen Infrastruktur entschieden werden.“ Aymen Fakhreddine ist derzeit Mitglied der Forschungsgruppe von Christian Bettstetter am Institut für Eingebettete und Vernetzte Systeme der Universität Klagenfurt.

Untersuchungen im bestehenden LTE-Netz würden zeigen, dass die bestehende Dateninfrastruktur bereits ausreichend schnelle Übertragungsraten bereitstellt, die für viele Anwendungen ausreichen. Für einige neue Applikationen würde aber mehr Bandbreite benötigt – diese könne dann durch 5G bereitgestellt werden.

Vor allem auch die benötigte schnellere Reaktionszeit zwischen Servern und Endgeräten ist bei 5G vorhanden und ermöglicht so diverse Anwendungen, bei denen Drohnen über das Mobilfunknetz gesteuert werden oder eigenständig Objekten ausweichen können.

Drohnen-Anwendungen dank 5G

Die Möglichkeiten von 5G für Drohnen umfassen ein riesiges Anwendungsfeld. Vor allem die Übertragung von 4K- oder gar 8K-Livebildaufnahmen über große Entfernungen wird vielen Branchen zu Gute kommen.

Pipeline Wartung mit Drohnen.

Im Agrarbereich wird so beispielsweise das autonome Abfliegen ausgedehnter landwirtschaftlicher Flächen ermöglicht, während gleichzeitig riesige Datenmengen in Echtzeit übertragen werden können. Auch bei Rettungseinsätzen oder Bergungsaktionen mit Drohnen wird die Übertragung hochauflösender Videoaufnahmen von großer Hilfe sein.

Ein weiteres Beispiel sind Inspektionsflüge für ausgedehnte Infrastruktur, wie z. B. Pipelines.

In einem Pilotprojekt eines chinesischen Gasunternehmens ist eine Drohne so zum Beispiel einen 80 km langen Pipeline-Abschnitt abgeflogen, der normalerweise von einem Team von drei Technikern überwacht wird. Diese brauchen normalerweise ca. 12 Stunden für die Inspektion und verbrauchen dabei ca. 9 Liter Benzin mit Ihrem Auto. Die Drohne benötigte nur 2 Stunden für die Wegstrecke und verbrauchte dabei lediglich einen Liter Diesel.

Windkraftanlagen Inspektion per Drohne. (Quelle: EcoLife - Wind Turbines)

Auch die Inspektion von Windkraftanlagen, Kühltürmen, Ölplattformen oder Raffinerien wird durch die Steuerung einer Drohne über das Mobilfunknetz möglich bzw. sicherer und günstiger. Während der Drohnen-Operator heutzutage in den meisten Fällen noch direkt vor Ort sein muss, kann er oder sie in Zukunft das gesamte Vorhaben remote managen. Der gesamte Ablauf wird daher nicht nur Kosten sparen, sondern auch für einen Zuwachs an Sicherheit sorgen, da sich weniger Menschen in gefährliche Situationen begeben müssen.

Auch die beiden deutschen Energieversorger EnBW und Eon erforschen aktuell die Möglichkeit der autonomen Überwachung ihrer Hochspannungs- und Verteilnetze und nutzen dabei Drohnen, die über das Mobilfunknetz gesteuert werden.

In Zukunft könnte auch die Vernetzung von Drohnen zu Drohnen-Flotten für die Verkehrsüberwachung oder anderweitige Szenarien genutzt werden.

Neben der Steuerung über weite Distanzen birgt die schnelle Datenübertragung auch den Vorteil, dass rechenintensive Aufgaben in eine Cloud ausgelagert werden könnten. Aufgrund der geringen Latenzen kann die Drohne über 5G blitzschnell mit den Servern kommunizieren und die erforderlichen Daten austauschen.

Das Vodafone Positioning System (RPS) & Geo-Fencing

Geo Fencing Vodafone Positioning System RPS.

Bei all den Möglichkeiten darf natürlich auch der Sicherheitsaspekt nicht vernachlässigt werden. Wie will man beispielsweise verhindern, dass Drohnen auf ihren ausgedehnten Flügen gehackt werden oder auch ausversehen oder mutwillig in geschützten Luftraum eindringen?

Die Regulierung des Drohnenverkehrs in einem bereits jetzt vollen Luftraum sowie der Schutz der Drohne vor Übernahmen durch Hacker ist daher ein weiterer aktueller Forschungsschwerpunkt, dem sich diverse Unternehmen und Institutionen widmen.

Ein Beispiel hierfür ist das 5G Mobility Lab von Vodafone und Ericsson, an dem Forscher untersuchen wie sich das 5G-Netz für Drohnenflüge nutzen lässt und welche Vor- und Nachteile sich ergeben können.

Gemeinsam mit verschiedenen Partnern wie Continental oder Ford werden im Testzentrum unter anderem Technologien zur Erhöhung der Sicherheit im Straßenverkehr erforscht. In einer Korporation mit der EASA wird versucht herauszufinden, wie man das Eindringen von Drohnen in sensible Luftbereiche unterbinden kann.

Vodafone entwickelt dafür das Vodafone Positioning System (RPS). Es handelt sich dabei um eine Drohnenortungs- und Sicherheitstechnologie, die sicherer als GPS sein soll. Vor allem auf Langstreckenflügen von Drohnen soll so sichergestellt werden, dass Drohnen keine Opfer von Hacking-Angriffen werden. Das System soll einen SIM-Karten-gestützten Betrieb von Drohnen außerhalb des Sichtfeldes ermöglichen.

In Zusammenhang mit dem sogenannten „Geo-Fencing“ soll so die Luftraumkontrolle in bestimmten Gebieten ermöglicht werden. Das RPS-System soll künftig sowohl den Drohnen-Piloten als auch den Manager der Flugverbotszone auf ein unerlaubtes Eindringen in einen virtuell eingezäunten Luftraum hinweisen. Sogar das automatische Senden von Steuerungsbefehlen an den Luftraum verletzende Drohnen soll möglich sein. Diese könnten zum Stopp oder gar zur Landung gebracht werden.

Da Vodafone die Forschung am RPS-System ohne Lizenzgebühren zur freien Verfügung stellt, kann das System auch von anderen Mobilfunkanbietern genutzt werden und dürfte so die allgemeine Entwicklung im Bereich Drohnen-Sicherheit schnell vorantreiben.