Beim Fog / Edge Computing werden Daten nicht zentral in der Cloud verarbeitet, sondern auf Geräten wie Smartphones, Kameras, Sensoren. Diese stellen die Schnittstelle, den »Rand« (Edge) zwischen Internet und physischer Welt dar. So kann Effizienz bei Antwortzeiten, Breitbandbedarf und Speicherbedarf gewonnen werden.

Bei solchen Anwendungen müssen die Informationen etlicher Sensoren extrem schnell lokal verarbeitet werden – zentral über die Cloud dauert das viel zu lange und ist zu fehleranfällig. Die Lösung: »Fog Computing«. Dieser Architekturansatz nutzt die Miniaturisierung von Sensorik und Rechenleistung, um direkt vor Ort per Mobile Edge aufgabenspezifisch Daten, etwa über das Verkehrsaufkommen, auszuwerten und aufzubereiten. Im Projekt HardFOG wollen Fraunhofer-Forscher verschiedene Sensorknoten als hochleistungsfähige Sensorsysteme miniaturisiert aufbauen. Das soll gelingen, indem Chips, Speicherbausteine, Schnittstellen sowie stromsparende Spannungswandler in den Sensorknoten integriert werden.

Besonders der Aspekt Energieeffizienz wird in mehreren Projekten verfolgt: Wenn den Batterien der vielen verteilten Sensoren zu schnell der Strom ausgeht, nützen auch schnelle Übertragungsnetze nichts. Die Forscher sind überzeugt, mit 5G eine bis zu zehnmal so lange Laufzeit für Niedrigenergie-Sensoren zu erzielen und denken dabei an eine Batterielebensdauer von bis zu 15 Jahren. »Im Erlanger Leistungszentrum Elektroniksysteme forschen wir daran, den Stromverbrauch für das Internet der Dinge auf minimales Niveau zu senken«, erklärt Professor Albert Heuberger, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS. Intelligente Tracking-Systeme sollen bald Ortungsaufgaben mit einem Bruchteil der heute üblichen Energiemenge erledigen.

Für mehr Energieeffizienz sollen auch innovative Materialien wie Galliumnitrid sorgen. Mit diesem Halbleitermaterial lassen sich stromsparende und leistungsstarke Mobilfunk-Sendeverstärker realisieren. Da mehr Betriebsfrequenzen möglich sind, kann neben der Reichweite auch die übertragbare Datenrate deutlich erhöht werden. »So schöpfen wir nicht nur das Potenzial des LTE-Standards bestmöglich aus, sondern schaffen auch die optimalen Voraussetzungen für die Einführung von 5G«, erläutert Professor Oliver Ambacher, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF. Für seinen Beitrag zur Entwicklung hocheffizienter Leistungsverstärker wurde er mit dem Karl Heinz Beckurts-Preis 2015 geehrt.

Die Hardware wird sich wandeln müssen, um fit für künftige Netze zu werden. »Es sind neue Hardwarekomponenten erforderlich, die enorme Datenmengen mit höchster Geschwindigkeit bei gleichzeitig niedrigstem Energieverbrauch verarbeiten können«, betont Professor Hubert Lakner, Vorsitzender des Fraunhofer-Verbunds Mikroelektronik. Gemeinsam mit Industriepartnern entwickelt Fraunhofer eine neue Generation Halbleiterprozesse, mit der sich Transistoren mit geringer Latenz und geringem Energieverbrauch kostengünstig herstellen lassen.

Natürlich werden sich auch die Endgeräte für Konsumenten verändern, um 5G voll ausnutzen zu können. Einen ersten Eindruck wird man sich bei den Olympischen Winterspielen in Südkorea 2018 oder bei den Sommerspielen 2020 in Tokio verschaffen können, wo Pionier-Anwendungen großflächig demonstriert werden sollen. Dann könnten sich Zuschauer in den Stadien mit ihren Virtual-Reality-Brillen näher an das Geschehen heranzoomen, Zeitlupenwiederholungen abrufen oder ad-hoc über Online-Abstimmungen wetten, wer gewinnt. Die Wissenschaftler erwarten aber bei der Umstellung auf 5G keinen Big Bang, sondern eine signifikante Evolution, die vorhandene feste und mobile Breitbandnetze in das Netz einbindet.