Die 5G-Mobilfunktechnologie gilt als Schlüssel für die digitale Revolution einer Vielzahl von Industrie- und Lebensbereichen. Dabei entstehen neue Geschäftsmodelle und bestehende erfahren signifikante Erweiterungen und Mehrwerte. Das gilt für die Automotive- und Telekommunikationsbranche gleichermaßen. Dabei zählt auch für diese digitalisierte Welt, dass Zuverlässigkeit und Qualität nachweislich gewährleistet sein müssen. Vor dem Hintergrund agiler beziehungsweiser fluider Methoden in der Entwicklung kommt entsprechend leistungsfähigen Testmechanismen sogar eine noch größere Bedeutung zu als bisher.

Bild 1: Die Service-Klassen des 5G-Standards ermöglichen die Bereitstellung von anwendungsspezifischen Diensten.

Bild 1: Die Service-Klassen des 5G-Standards ermöglichen die Bereitstellung von anwendungsspezifischen Diensten. Micronova

Einige Technologien innerhalb des 5G-Themenkreises stehen dabei besonders im Fokus. Dazu zählen beispielsweise Entwicklungen der Funkschnittstelle, wie etwa Beamforming. Darunter ist die zielgerichtete Bündelung und Ausrichtung der Funkwellen zu verstehen, statt der üblichen Abstrahlung über konzentrische Kreise. Ein weiteres relevantes Schlagwort ist Massive MIMO (Multiple Input, Multiple Output): Das sogenannte Mehrantennenverfahren ermöglicht es in der „Massive“-Ausprägung, mit bis zu hunderten Antennen pro Basisstation den Datendurchsatz zu erhöhen. Millimeterwellen (mmWave) mit einer Frequenz von 30 bis 300 GHz sind ideal geeignet, um Objekte zu erkennen, deren Entfernung, Geschwindigkeit und Winkel zu messen – und damit hochgradig relevant etwa für autonomes Fahren.

Zudem wird die Realisierung selbstorganisierter Netze (SON) durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz vor allem das sogenannte Network Slicing und damit die Entwicklung neuer Dienste maßgeblich beschleunigen. Derzeit befinden sich noch vor allem statische Netzscheiben in Verwendung, wie sie etwa von Narrowband IoT bekannt sind. Schon sollen sich hier flexible, ad hoc im Netz bereitstellbare Konzepte mit virtuellen Netzabschnitten durchsetzen: Network Slicing ist hierbei die aus der 5G-Netzarchitekturentwicklung mit Software-Defined-Networking (SDN) resultierende Schlüsseltechnologie.

Network Slicing und Service-Klassen

Die im 5G-Standard definierten Service-Klassen (Bild 1) lassen sich dabei zu funktionalen, anwendungsspezifischen Diensten koppeln und in Form von Netzscheiben dediziert im Netz bereitstellen. Somit erlauben diese den Netzbetreibern, ihre Infrastruktur vielseitiger zu nutzen und leistungsbezogene, anwendernahe Mobilfunkdienste anzubieten. Ob nun das smarte Eigenheim mit seinen Bewohnern, Maschinen untereinander, oder aber ein Fahrzeug mit seiner Umgebung kommuniziert: für jeden dieser Anwendungsfälle wird eine optimierte Netzscheibe eingerichtet. Die Network-Slicing-Funktionalität ist somit der Schlüssel zur Unterstützung von diversifizierten 5G-Diensten.

5G bietet zudem mehrere Dienstkategorien, die jeweils unterschiedliche Anforderungen in der Mobilkommunikation abdecken: Enhanced Mobile Broadband (eMBB) stellt als eine solche Dienstkategorie extrem hohe Datenraten von bis zu 10 Gbit/s zur Verfügung und unterstützt so Services mit hohen Bandbreitenanforderungen. Die Kategorie Ultra Reliable Low Latency Communications (uRLLC) fokussiert auf Dienste mit geringer Latenzzeit von etwa einer Millisekunde – wichtig für kürzeste Antwortzeiten praktisch ohne Service Downtime. Relevante Anwendungen hierfür sind automatische Fahrassistenten in Kraftfahrzeugen oder die Anlagenfernwartung. Massive Machine-Type Communications (mMTC) umfasst Dienste, die eine hohe Anschlussdichte von bis zu einer Million pro Quadratkilometer erfordern, etwa für die Gestaltung von Smart Citys, Smart Homes etc.

5G im Fahrzeug

Bild 2: Bei der Prognose für Einführungszeiten von Fahrerassistenzsystemen wird mit Stufe 5 erst nach 2030 gerechnet.

Bild 2: Bei der Prognose für Einführungszeiten von Fahrerassistenzsystemen wird mit Stufe 5 erst nach 2030 gerechnet. VDA

Autonomes Fahren zählt sicherlich zu den prominentesten Beispielen in Verbindung mit 5G. Mit der Einführung immer intelligenterer Fahrerassistenzsysteme in der Serienproduktion und den sich in Entwicklung beziehungsweise Erprobung befindlichen hoch automatisierten Fahrzeugen steigt die Erwartungshaltung diesbezüglich bei allen Beteiligten. Das fahrerlose Auto des Levels 5 wird sicherlich noch viel an Forschung und Erprobung benötigen, ehe es realisierbar ist – und wird somit gemäß derzeitiger Einschätzung wohl erst mit einer der nächsten Mobilfunkgenerationen auf die Straßen kommen (Bild 2). Dabei gibt es natürlich eine Vielzahl weiterer relevanter Einflussfaktoren, wie etwa Grad und Güte beim Fortschritt in der Entwicklung künstlicher Intelligenz (KI).

Dessen ungeachtet wird mit 5G der Einstieg in eine leistungsstark und voll vernetzte Welt bereitet – und somit auch der Grundstein für die Car2X-Kommunikation gelegt. Erst die 5G-Technologie ermöglicht eine weitflächige, praxistaugliche, bidirektionale Vernetzung unterschiedlicher Sensoren, Aktoren und Steuergeräte über die Luftschnittstelle. Apps, wie sie auf dem Smartphone schon seit langem üblich sind, werden somit immer mehr ins Auto Einzug halten. Da die Kommunikation des Fahrzeugs mit seiner Umwelt oder das Steuern von Funktionen im Fahrzeug von außerhalb besondere Anforderungen bei Sicherheit und Qualität der gesamten Anwendungen stellen, ist eine automatisierte Testumgebung unerlässlich.

Prüfstand für mobile Anwendungen

Dies gilt sowohl für die Absicherung gegen Hackerangriffe als auch für eine klar definierte Verhaltensweise bei Ausfall des Mobilfunkbasisdienstes. Micronova arbeitet zusammen mit der EANTC AG an einer Lösung für einen automatisierten Prüfstand zum Testen von mobilen Anwendungen. Dies schließt sowohl die Simulation des Mobilfunknetzes, als auch die Kommunikation zwischen Fahrzeug, mobiler Applikation auf dem Smartphone (Mobile-UE) und Backend mit ein. Denn fungierte früher das Fahrzeug selbst als „Device Under Test“ (DUT), sind im Zeitalter der vernetzten Fahrzeuge neue Elemente hinzugekommen. So gehören nun auch Mobile-UE, das zugehörige Backend und das Mobilfunknetz zum Gesamtsystem.

Bild 3: Architektur von Exam: Testingenieure können den Prüfstand mit realen Steuergeräten als auch über Apps ansprechen.

Bild 3: Architektur von Exam: Testingenieure können den Prüfstand mit realen Steuergeräten als auch über Apps ansprechen. Micronova

Das erfordert geänderte Prüfsysteme, um die korrekte Funktion des Gesamtsystems zu gewährleisten. Speziell das Mobilfunknetz war bisher im Gesamttest jedoch nur ein „komplexeres“ dickeres Kabel und spielte demnach auch eine eher untergeordnete Rolle, solange die Daten richtig übertragen wurden. Hier wird sich die Testwelt im Kontext von Software Defined Services ändern – „den“ Service wird es so nicht mehr geben. Vielmehr wird er immer flexibler und ist als essenzieller Bestandteil des Gesamtsystems dennoch entsprechend zu überprüfen. Hierfür sind folglich auch flexiblere Simulationen und Testsysteme nötig. Zur Sicherstellung der Gesamtsystemfunktionalität, beziehungsweise zur Gewährleistung einer End-to-End-Absicherung, kommen jedoch schon heute Testsysteme zum Einsatz, die sich beispielsweise mit der für diese Zwecke entwickelten Software Exam (Extended Automation Method, Freeware unter www.exam-ta.de) automatisiert prüfen lassen (Bild 3).

Überprüfung der gesamten Kommunikationskette

Eck-Daten

Mit 5G ergeben sich vielfältige Optionen, Fahrzeuge und den Verkehr selbst intelligenter und sicherer zu gestalten. Damit diese Möglichkeiten sicher und zuverlässig bis zu den Anwendern gelangen, sind umfassende Tests nötig. Die große Aufgabe besteht darin, aktuelle Test-Herangehensweisen so zu konsolidieren, dass am Ende eine integrierte Überprüfung mit einem möglichst hohen Grad an Automatisierung möglich ist. Denn nur so sind Nachvollziehbarkeit und Struktur in den Tests gewährleistet.

Hier sind die korrekte Funktion der Backend-Schnittstelle sowie die Funktion der Smartphone-Applikation zentrale Aspekte. Dabei wird ein Test-Rack mit entsprechenden realen Steuergeräten verwendet, das von Exam angesprochen wird. Zusätzlich ermöglichen Schnittstellen wie Appium oder Selenium die Kommunikation mit der Smartphone-Anwendung. Auf diese Weise ist eine Überprüfung der gesamten Kommunikationskette möglich, von der App über das Backend bis zum Test-Rack – und zwar wiederholbar und zuverlässig. Denn je komplexer die Testumgebung, umso wichtiger ist ein strukturiertes, Tool-basiertes Testen. Um in Zukunft die immer weiter steigende Anzahl der vernetzen Funktionen überprüfen zu können, ist die verstärkte Nutzung von Virtualisierung und Simulation geboten – nur so lassen sich auch wirklich alle Testumfänge bei hoher Ergebnisqualität durchführen.

Mechanismen wie die Simulation der Steuergeräte sind in der Industrie lange etabliert und in Verwendung, aber die weiteren Komponenten wie die Luftschnittstelle oder das Backend stellen Unternehmen noch vor Herausforderungen. Hinzu kommen Testanforderungen, die in einem realen Mobilfunknetz nur schwer abbildbar sind. Dazu zählt etwa das Nachstellen schlechter Netzabdeckung oder fehlerhafter beziehungsweise „verschluckter“ Daten. All solche Aspekte haben Hersteller und Zulieferer bisher über aufwändige Drive-Tests realisiert. Diese sind jedoch nur schlecht skalierbar, der Testaufwand steigt – und er steigt umso mehr, je höher die Zahl komplexer und über Vernetzung betriebener Funktionen im Fahrzeug wird. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die aus 5G resultierenden Möglichkeiten in das Wirkfeld der etablierten Testmechanismen der Fahrzeugelektronik zu integrieren.