Drohnen in Mobilfunknetzen

In jüngster Vergangenheit haben die kommerzielle Nutzung von Drohnen und deren Anwendungsmöglichkeiten zugenommen. Zum Einsatz kommen sie etwa für den Transport, zur Beobachtung landwirtschaftlicher Flächen oder Industrieanlagen, zur Überwachung und im Katastrophenfall. Allen Anwendungsfällen ist gemein, dass der Betrieb autonomer Drohnen oder Multi-Drohnensysteme eine effektive und sichere Flugkontrolle und koordination voraussetzt. Der drahtlosen Vernetzung kommt fundamentale Wichtigkeit zu. Sie muss verlässlich und sicher sein, die Übertragung eines hohen Datenvolumens garantieren und in Einzelfällen in Echtzeit funktionieren. Die meisten kommerziellen Drohnensysteme nutzen Wi-Fi zur Übertragung von Sensordaten, während Steuerung und Kontrolle mittels hardwareabhängiger Funktechnik erfolgt. In Anbetracht der 3D-Mobilität von Drohnen, ihrer relativen Höchstgeschwindigkeit und der wechselnden Höhe, in der sie operieren, kann Wi -Fi nicht für alle Anwendungen die strengen Voraussetzungen erfüllen. Was Netz abdeckung, Zuverlässigkeit und Sicherheit betrifft, finden Drohnen größtenteils das Auslangen mit dem bestehenden Mobilfunknetz. Allerdings wurden die heutigen Mobilfunknetzte weder für Fluggeräte entwickelt noch sind sie dafür ausgelegt. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, einen theoretischen Rahmen zu schaffen, der Flugdrohnen in das existierende 5G- Mobilfunknetz einbindet. Hauptziel ist es, dass Drohnen, wenn sie im derzeitigen Mobilfunknetz eingeloggt sind, eine hohe Datenübertragungsrate im Uplink unterstützen, während die Verbindungssicherheit für die externe Kontrolle und Steuerung im Downlink erhalten bleibt. Die Einbindung von Fluggeräten soll so erfolgen, dass die normalen Mobilfunknutzer keinerlei Qualitätsverlust erleiden. Im Speziellen fokussieren wir auf Drohnenmissionen ohne Sichtverbindung, wobei die Kontrolle von Drohnenmanövern mit Hilfe eines direkt von der Drohne via 5G in Echtzeit empfangenen Videostreams von der Verarbeitungseinheit oder einer steuernden Person erfolgen soll. Des We iteren legen wir spezielles Augenmerk auf das Erforschen der Kommunikation von Drohne zu Drohne, also auf Anwendungen für Multi-Drohnensysteme. Diese Kommunikation kann einerseits über das Mobilfunknetz und andererseits direkt über Wi -Fi erfolgen, wobei sich die Zugänge in mehrfacher Hinsicht unterscheiden: Abdeckung, Anpassungsfähigkeit, Sicherheit, Verlässlichkeit und Unterstützung der Echtzeitfunktionen. Die Anwendbarkeit wird für beide Technologien untersucht, um eine hybride Lösung zu erarbeiten, die in Übereinstimmung mit den Planungsvoraussetzungen für die jeweilige Drohnenmission situationsabhängig über die zu nutzende Drahtlostechnologie entscheidet.

Drohnen werden in Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen. Sie können beispielsweise für die Inspektion von Infrastrukturen, die Umweltüberwachung, die Katastrophenhilfe, die Landwirtschaft, die Logistik oder Aufgaben der öffentlichen Sicherheit eingesetzt werden. Damit solche Anwendungen zuverlässig und sicher funktionieren, benötigen Drohnen stabile drahtlose Kommunikationsverbindungen, über die Daten übertragen, Steuerbefehle empfangen und Positionsinformationen ausgetauscht werden können. Die heutigen Mobilfunknetze wurden jedoch hauptsächlich für Nutzerinnen und Nutzer am Boden entwickelt. Daher stellt die zuverlässige Versorgung von Drohnen in der Luft eine besondere Herausforderung dar. Drohnen erleben andere Funkbedingungen als herkömmliche Mobilgeräte und können zusätzliche Störungen im Mobilfunknetz verursachen. Das Verständnis dieser Besonderheiten ist eine wichtige Voraussetzung für den sicheren und großflächigen Einsatz von Drohnen. Ziel dieses Projekts war es zu untersuchen, wie aktuelle und zukünftige Mobilfunknetze Drohnen zuverlässig und effizient unterstützen können. Dabei wurden verschiedene Aspekte der Drohnenkommunikation erforscht, darunter die Erkennung von Drohnen, die Ausbreitung von Funksignalen, die Zuverlässigkeit von Kommunikationsverbindungen, die Lokalisierung von Drohnen sowie die Zusammenarbeit mehrerer Drohnen. Ein wichtiges Ergebnis des Projekts war die Entwicklung von Verfahren, mit denen Mobilfunknetze Drohnen erkennen und deren Flughöhe direkt aus Funksignalen abschätzen können. Solche Verfahren ermöglichen es dem Netz, besser auf die besonderen Anforderungen von Drohnen zu reagieren und die Kommunikationsqualität zu verbessern. Darüber hinaus wurden neue Modelle entwickelt, die beschreiben, wie sich Funksignale zwischen Mobilfunknetzen und Drohnen ausbreiten. Diese Modelle bilden reale städtische Umgebungen genauer ab und helfen dabei, zukünftige Kommunikationssysteme effizienter zu planen und zu bewerten. Ein weiterer Schwerpunkt war die Untersuchung von Drohnenflügen außerhalb der direkten Sichtweite der Pilotinnen und Piloten. Solche sogenannten Beyond-Visual-Line-of-Sight-Einsätze sind für viele zukünftige Anwendungen unverzichtbar, erfordern jedoch besonders zuverlässige Kommunikationsverbindungen. Während der Projektlaufzeit entwickelte sich zudem eine neue Technologie namens Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) zu einem wichtigen Forschungsgebiet für zukünftige 6G-Netze. Dabei handelt es sich um programmierbare Oberflächen, die Funkwellen gezielt steuern können. Im Rahmen des Projekts wurde gezeigt, wie RIS-Technologien die Kommunikation mit Drohnen verbessern, die Erkennung und Lokalisierung von Drohnen unterstützen und neue Möglichkeiten für die drahtlose Sensorik schaffen können. Insgesamt hat das Projekt neue wissenschaftliche Erkenntnisse und Technologien hervorgebracht, die dazu beitragen, Drohnen sicher in zukünftige Mobilfunknetze zu integrieren. Die Ergebnisse unterstützen die Entwicklung zukünftiger 6G-Systeme, die Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik miteinander verbinden und damit intelligente, sichere und effiziente Luftfahrtdienste ermöglichen.