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Barkhausen Institut

Forschungsprojekte

6G Plattform

6G ist bereits die sechste Generation des Mobilfunks. Das Barkhausen Institut beteiligt sich an der Forschung und Entwicklung von 6G durch die Teilnahme am 6G Plattform-Projekt. Innerhalb des Projektes forscht das BI zu Themen der Vertrauenswürdigkeit und gestaltet neue Formate der Wissenschaftskommunikation.

Der neue Mobilfunkstandard 6G nutzt höhere Frequenzen, wodurch höhere Datenraten ermöglicht werden. Verzögerungen in der Datenübertragung (Latenzen) werden beispielsweise durch die standardisierte Einführung von Multi Access Edge Computing weiter gesenkt. Das heißt, Daten, die zuvor zur Verarbeitung an weit entfernte Server gesendet wurden, werden nun stattdessen auf viele kleine und verteilte Verarbeitungseinheiten (Edge Devices) in unmittelbarer Nähe ihrer Erhebung verteilt. Das sorgt dafür, dass weniger Daten zu einem zentralen Rechenzentrum übertragen werden und Datenstaus vermieden werden können.

Künstliche Intelligenz wird zur Netzwerkoptimierung beitragen, indem sie beispielsweise erkennt, wo es hohen Bedarf für Datenübertragung gibt, und dementsprechend zusätzlich Bandbreite zur Verfügung stellt.

Diese und viele weitere Neuheiten werden den Mobilfunkstandard 6G prägen.

Mit der zunehmenden Verbindung von physischen Objekten der realen Welt mit dem Internet gewinnt die Vertrauenswürdigkeit des „Internets der Dinge“ stark an Bedeutung. So kann zum Beispiel ein autonom fahrendes Auto bei Manipulationen, Ausfall oder Fehlfunktion des Systems schwerwiegende Unfälle bauen. Um die Sicherheit von 6G zu erhöhen, erforscht das Barkhausen Institut unter anderem, wie Nachrichten sicher verschlüsselt werden können, indem die einzigartigen Eigenschaften des Funkkanals zwischen Sender und Empfänger herangezogen werden. Außerdem wird untersucht, wie die zur Datenübertragung genutzten Funkwellen zusätzlich den Standort präzise bestimmen und die Umgebung erfassen können.

Die Wissenschaftskommunikation zum Plattform-Projekt wird Einblicke in die aktuellen Forschungsarbeiten geben und Grundwissen vermitteln. Die Bedürfnisse, Fragen und Bedenken der Bevölkerung sind dabei besonders wichtig. Das Barkhausen Institut organisiert verschiedene Veranstaltungen und Formate, um zu informieren und mit der Öffentlichkeit in den Dialog zu treten. 

Partner des 6G Plattform Projektes sind neben dem Barkhausen Institut acht weitere deutsche Hochschulen und Forschungseinrichtungen. Seit Oktober 2021 schafft die 6G Plattform einen strukturierten Raum zur Vernetzung zwischen vier 6G-Forschungsverbünde, um die Entwicklung neuer Technologien der nächsten Mobilfunkgeneration in Deutschland voranzutreiben. Sie begleitet die wissenschaftlich-organisatorischen Prozesse und leistet wissenschaftliche Beiträge zur inhaltlichen Gestaltung von 6G. Hierbei stehen Fragestellungen mit hoher gesellschaftlicher Relevanz im Fokus, wie Nachhaltigkeit, Privatsphäre und Sicherheit.

Das BMBF fördert die 6G Plattform im Rahmen der Fördermaßnahme „6G-Forschungs-Hubs; Plattform für zukünftige Kommunikationstechnologien und 6G“. Die Fördermaßnahme ist Teil der BMBF 6G-Initiative im Rahmen der Umsetzung des Zukunfts- und Konjunkturpaketes der Bundesregierung.

 

Projektlaufzeit: 2021-2025

Ansprechpartner: Prof. Dr. Gerhard Fettweis, gerhard.fettweis@barkhauseninstitut.org; Dr.-Ing. Stefan Köpsell, stefan.koepsell@barkhauseninstitut.org; Carolin Fischer, carolin.fischer@barkhauseninstitut.org

Kooperationspartner:innen:  Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH, Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS), Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Institut für Automation und Kommunikation e.V. (ifak), Technische Universität Berlin (TUB), Technische Universität Dresden (TUD), Technische Universität Kaiserslautern (TUK), Universität Bremen (UB)

Klimawandel in historischen Gärten

Die Folgen des Klimawandels sind heute schon deutlich spürbar und erfordern ein vorausschauendes und entschlossenes Handeln unserer Gesellschaft. Auch in den Sächsischen Gärten und Parkanlagen sorgen Hitzerekorde im Sommer und sinkende Grundwasserspiegel für große Probleme. Die Gärtner:innen stehen vor großen Herausforderungen, die wertvollen Gehölze zu pflegen und am Leben zu erhalten, neben ihrer ohnehin hohen Arbeitsbelastung. Tätigkeiten wie der Heckenschnitt, die Wegepflege oder das tägliche Gießen bestehen zum Teil aus repetitiver und körperlich belastender Arbeit, die viel Zeit kostet. Zeit, die fehlt, um die gärtnerische Expertise gezielter zu nutzen und die Gehölze an die sich veränderten Bedingungen anzupassen.

Unter der Leitung der Staatlichen Schlösser, Burgen und Gärten gGmbH arbeitet das Barkhausen Institut daran, die Gärtner:innen durch automatisierte Prozesse in ihrem Arbeitsalltag zu unterstützen und zu entlasten. Damit sollen sie wertvolle Zeit und Arbeitskraft für die anstehenden Herausforderungen gewinnen.

Hierfür entwickelt das BI einen semi-autonomen Roboter, um die Bewässerung der über 250 Pflanzenkübel im Pillnitzer Schlossgarten zu erleichtern. In enger Zusammenarbeit mit den Gärtner:innen soll eine Lösung gefunden werden, welche sich sinnvoll in den Arbeitsalltag einfügt, sowie sozial und ökologisch nachhaltig ist. Die vorhandene Biodiversität in den Gärten und Parks liegt uns besonders am Herzen, weshalb diese im Entwicklungsprozess große Beachtung finden wird.

Da uns auch die Akzeptanz der Bevölkerung sehr wichtig ist, widmet sich ein großer Teil des Projekts der Kommunikation zwischen den Forscher:innen und Bürger:innen, Besucher:innen und Anwohner:innen. In einer öffentlichen Bürgerdiskussion konnten wir bereits Rolle und Auswirkung dieser neuen Art Gartenroboter diskutieren. Die Ergebnisse werden in unserem Forschungsplan berücksichtigt.

Das Projekt wird finanziell gefördert durch das Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung.

 

Projektlaufzeit: 2022 - 2024

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Markus Böhme, markus.boehme@barkhauseninstitut.org 

Projektpartner: Staatlichen Schlösser Burgen und Gärten Sachsen gGmbH, Professur für Technisches Design (TU Dresden), Institut für Bodenkunde und Standortslehre (TU Dresden)

5G Lab Germany Forschungsfeld Lausitz

Ziel des Projektes 5G LAB GERMANY FORSCHUNGSFELD LAUSITZ ist die Demonstration von vernetztem Fahren unter Benutzung von 5G-Kommunikationstechnologien. Über stationäre Sensoren (Kameras) erfolgt eine Analyse des aktuellen Verkehrsgeschehens, um darauf basierend den Fahrzeugen Informationen und Befehle zur Steuerung des Fahrverhaltens zu übermitteln.

Damit vernetztes Fahren sicher sein kann, ist es zwingend notwendig, dass die IT-Sicherheit bei der Erfassung, Übertragung und Verarbeitung der Sensordaten und Steuerbefehle jederzeit gewährleistet ist. Entsprechende Forschungen innerhalb des Projekts leistet das Barkhausen Institut. Dabei werden Verschlüsselung und Integritätsschutz bei der Datenübertragung und vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen angewendet. Letztere ermöglichen eine vertrauenswürdige Datenverarbeitung auch in nicht-vertrauenswürdigen Cloud-Umgebungen.

Darüber hinaus werden datenschutzfreundliche Technologien zur Verarbeitung der Kamerabilder entwickelt. So soll eine Verletzung der Privatsphäre (unbeteiligter) Dritter wie Fußgänger, Radfahrer u.a. ausgeschlossen werden. Geplant ist, die Bilder bereits während der Erfassung so zu verarbeiten, dass nur relevante Informationen, wie beispielsweise der Standort von Personen oder Objekten, übertragen werden. Identifizierende Daten wie Gesichter oder Gang werden nicht übermittelt und bleiben geheim.

 

Projektlaufzeit: 2021 - 2022

Ansprechpartner: Dr.-Ing.Stefan Köpsell stefan.koepsell@barkhauseninstitut.org

Projektpartner: TU Dresden Vodafone Chair Mobile Communications Systems, Fraunhofer IVI, Meshmerize Gmb, Versorgungsbetriebe Hoyerswerda GmbH - VBH EnergieweltVodafone GmbH, Nokia Corporation, Smart Mobile Labs AG and in association with Stadt Hoyerswerda

Modulare Plattform für sicheren Echtzeit-Funk

Fehler in Hard- und Software können schwerwiegende Sicherheitslücken in infrastrukturkritischen Geräten nach sich ziehen. Durch solche Lücken können Angreifer unerlaubt Zugriff auf sensible Daten erhalten und diese sogar modifizieren oder die Funktion der Geräte abändern oder zerstören. Leider lassen sich Fehler in Hard- und Software nicht ausschließen, und die Fehleranzahl steigt mit der Systemkomplexität. Durch die Verwendung eines modularen Betriebssystems mit entsprechender Isolation zwischen Komponenten kann die Angriffsfläche stark verringert werden. Gemeinsam mit unserem Dresdner Partner Genode Labs GmbH forscht das Barkhausen Institut hierfür an der Integration eines modularen Betriebssystems (Genode OS Framework) und eines Software-Defined-Radios (SDR) auf Embedded-Hardware.

Finanziert wird das Projekt durch das „Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi).

 

Projektlaufzeit: 2021 - 2022

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Paul Kühne paul.kuehne@barkhauseninstitut.org, Dr. Maximilian Matthé maximilian.matthe@barkhauseninstitut.org                  

Projektpartner: Genode Labs GmbH

Corona-Warn-Buzzer

Das BI beteiligt sich am sächsischen Projekt "Corona-Warn-Buzzer". Mit dem Projekt soll ähnlich wie bei der »Corona-Warn-App« (CWA) ein Instrument erschaffen werden, mit dem Corona-Virus-Infektionsketten nachvollzogen und unterbrochen werden können. Da nicht alle Personen ein Smart Phone besitzen, soll im Projekt unter Einbindung des sächsischen Datenschutzbeauftragten ein "Corona-Warn-Buzzer" entwickelt werden. Dieses Gerät funktioniert im Prinzip wie die offizielle Corona-Warn-App und ist mit dieser kompatibel. Die Idee ist, dass das Gerät seine Kontakte in Gebäuden oder im Freien aufzeichnet, ohne den Ort der Kontakte festzustellen oder gar persönliche/personenbeziehbare Daten der Kontakte zu speichern. Das System speichert lediglich, welche Mobiltelefone oder andere Warn-Buzzer sich für eine bestimmte Dauer in der Nähe befunden haben. Smartphones oder andere Buzzer werden via Bluetooth erkannt. Die für die Funktion des Systems notwendige Kommunikation mit den Servern der Corona-Warn-App erfolgt mittels Mobilfunk (NB-IoT). Die Alarmierung des Nutzers geschieht im Falle eines Kontakts zu einem Covid-19 Erkrankten via LED, Ton und Vibration. Die gespeicherten Kontakte werden nach 14 Tagen automatisch gelöscht. Ziel ist es, die Entwicklung eines serienreifen Corona-Warn-Buzzers voranzutreiben und einen Feldversuch in Augustusburg durchzuführen. 

Das Barkhausen Institut bearbeitet in dem Projekt die Themen Sicherheit, Optimierung, CWA-konforme Implementierung der Kontaktverfolgung sowie die Kompatibilität mit der Corona Warn App und die Plausibilität der Distanzmessungen.

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.

Projektlaufzeit: 2020-2021

Ansprechpartner: Dr. Maximilian Matthé, maximilian.matthe@barkhauseninstitut.org ; Dr.-Ing. Stefan Köpsell, stefan.koepsell@barkhauseninstitut.org

Projektpartner: Digades GmbH (Zittau), FEP Fahrzeugelektrik Pirna GmbH & Co. KG, Exelonix GmbH (Dresden)

iNGENIOUS Projekt

Ab Oktober 2020 untersucht eine internationale Forschergruppe, wie das Internet der Dinge Lieferketten effizienter und sicherer machen kann. Das Barkhausen Institut übernimmt im Projekt iNGENIOUS eine Schlüsselrolle.

Für die Herstellung und Lieferung von Produkten aller Art bedarf es heute oft riesiger, vernetzter Lieferketten. Je komplexer eine Ware ist, desto größer ist meist auch die dahinterstehende Lieferkette. Die Coronakrise hat gezeigt wie anfällig solche Lieferketten sein können. Die nächste Generation des Internets der Dinge ist in der Lage, das Management komplexer Lieferprozesse künftig besser planbar und weniger fehleranfällig zu machen. Um diese Entwicklung voranzutreiben, wurde das EU-geförderte Projekt iNGENIOUS (Next-GENERATION IoT sOlutions for the Universal Supply Chain) ins Leben gerufen. Im multinationalen Vorhaben mit 21 Partnern aus Wirtschaft und Forschung übernimmt das Barkhausen Institut ab Oktober 2020 die technische Koordination.

Ziel des Projektes ist es mittels innovativer Technologien sowohl technische als auch geschäftliche Lösungen vorzuschlagen, um letztlich eine vollständige Plattform für das Lieferkettenmanagement aufzubauen. Viele Unternehmen haben bereits in den vergangenen Jahren erkannt, welche Chancen das Internet der Dinge bietet. Sie gehen nun dazu über, ihre Lieferketten vollständig zu digitalisieren. Damit diese Unternehmen ihre Herstellungs- und Transportwege künftig effizienter und sicherer gestalten können, sollen hochentwickelte Technologien zum Einsatz kommen. Die Technologieforschung der einzelnen Partner ist auf 6 Anwendungsfälle ausgerichtet. So sollen beispielsweise Satellitenverbindungen und der moderne, leistungsstarke Kommunikationsstandard 5G globale Lieferketten nachprüfbar machen; neue Mechanismen der künstlichen Intelligenz sollen präzisere Vorhersagen u. a. für Prozessautomatisierung und Anlagenverwaltung als herkömmliche Systeme ermöglichen.

Das Barkhausen Institut übernimmt in iNGENIOUS die Rolle des technischen Managers, der für die technische Koordination der Arbeitspakete während der Durchführung des Projekts verantwortlich ist. Außerdem bringt das Barkhausen Institut seine auf einer kachelbasierten Hardware-Architektur basierende M3-Betriebssystemplattform in das Projekt ein, welche von vornherein auf Security by Design und Isolierung setzt. Über die M3-Plattform und mittels 5G-Netzwerken sollen neuromorphe Sensoren in Logistikfahrzeugen sicher und energieeffizient an ein zentrales Frühwarnsystem angebunden werden, so dass Defekte an den Fahrzeugen frühzeitig erkannt und beseitigt werden können.

Dieses Projekt wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Zuschussvereinbarung Nr. 957216 gefördert.

Projektlaufzeit: 2020-2023

Ansprechpartner: Dr. Tim Hentschel, tim.hentschel@barkhauseninstitut.org, Dr. Carsten Weinhold carsten.weinhold@barkhauseninstitut.org

Kooperationspartner: Universitat Politècnica de València (UPV), Ericsson Telecomunicazioni S.p.A. (TEI), Nokia Spain S.A. (NOK), SES Techcom S.A. (SES), Telefónica Investigación y Desarrollo S.A. (TID), Technische Universität Dresden (TUD), Sequans Communications S.A. (SEQ), Nextworks (NXW), Cumucore OY (CMC), AWAKE.AI Oy (AWA), NeuroDigital Technologies (NED), NeuroControls GmbH (NCG), ASTI Mobile Robotics S.A.U. (ASTI), Polsko-Japońska Akademia Technik Komputerowych (PJATK), Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (CNIT), ValenciaPort Foundation (FV), 5G Communications for Future Industry Verticals, S.L. (5CMM), Autorità di Sistema Portuale del Mar Tirreno Settentrionale (AdSPMTS), ST Engineering iDirect (Ireland) Limited (iDR), COSCO SHIPPING Lines (Spain) S.A. (COSSP)

COREnect Projekt

Das BI beteiligt sich seit Juli 2020 am europäischen Koordinierungs- und Unterstützungsprojekt "COREnect"

Das Projekt "COREnect" (European Core Technologies for future connectivity systems and components) hat zum Ziel die Grundlagen für eine nachhaltige europäische Technologiesouveränität im 5G-Bereich und darüber hinaus zu schaffen. Gemeinsam wollen die europäische Industrie sowie führende Experten des Forschungs- und Entwicklungsbereich im Mikroelektronik- und Telekommunikationssektor einen strategischen Fahrplan der wichtigsten Technologien für zukünftige Konnektivitätssysteme und -komponenten entwickeln, die auf die Telekommunikationsnetze und -dienste der nächsten Generation abzielen.

Der strategische Fahrplan wird die gesamte 5G-Wertschöpfungskette abdecken, einschließlich Materialien, Komponenten, Subsystemintegration und Konnektivitätsplattformen, und auf Industriesektoren u. a. in den Bereichen Gesundheit, Energie, Fertigung, Automobilbau und intelligente Städte ausgerichtet sein.

In den nächsten zehn Jahren wird erwartet, dass 5G und später 6G, Milliarden von Geräten miteinander verbinden, Industrien digitalisieren sowie soziale und wirtschaftliche Fortschritte in vielen Bereichen bringen wird. Die Entwicklung der hierfür notwendigen Technologien ist für Europa entscheidend, um seine Abhängigkeit von außereuropäischen Technologien zu verringern. Durch die Zusammenführung der Mikroelektronikindustrie (Hersteller elektronischer Chips) und der Telekommunikationsindustrie wird COREnect die notwendigen Maßnahmen unterstützen, die dafür in Europa ergriffen werden müssen.

Dieses Projekt wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Zuschussvereinbarung Nr. 956830 gefördert.

Projektlaufzeit: 2020-2022

Ansprechpartner: Dr. Tim Hentschel, tim.hentschel@barkhauseninstitut.org

Kooperationspartner: Technische Universität Dresden, The 5G Infrastructure Association, AENEAS Robert Bosch GmbH, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Ericsson AB, Infineon Technologies AG, III-V lab, Australo Interinnov Marketing Lab SL, Interuniversitair Micro-Electronica Centrum (IMEC), NXP Semiconductors Netherlands B.V., STmicroelectronics SA

IntelliLung Projekt

Im BI-Labor für vernetzte Robotik beginnt in 2020 das Projekt „Intelligentes Lungenunterstützungssystem für akutes Lungenversagen“ (IntelliLung)

Intensivpatienten mit akutem Lungenversagen benötigen in der Regel eine Unterstützung der Lungenfunktion, die durch mechanische Beatmung und, in schwierigen Fällen, durch Gasaustausch außerhalb des Körpers erreicht wird. Obwohl die mechanische Beatmung eine lebensrettende Therapie ist, hat sie das Potenzial, das Lungenversagen zu verschlimmern und den Blutfluss zu beeinträchtigen. Derzeit gibt es verschiedene Strategien, um die Lunge vor Schädigung durch das Beatmungsgerät zu schützen. Diese können sich jedoch erheblich unterscheiden in Bezug auf die übertragene mechanische Energie und deren Verteilung über das Lungengewebe. Parameter am Beatmungsgerät und am Lungenunterstützungsgerät können mit Hilfe von Optimierungsfunktionen und klinischen Empfehlungen automatisch eingestellt werden, aber die Handhabung durch Experten kann je nach klinischen Merkmalen der einzelnen Patienten dennoch von diesen Einstellungen abweichen. Künstliche Intelligenz kann dazu verwendet werden, aus diesen Abweichungen sowie aus dem Zustand des Patienten zu lernen, um die Kombination der Einstellungen zu verbessern und eine Lungenunterstützung mit reduziertem Schädigungsrisiko zu erreichen. Das Projekt IntelliLung zielt auf die Entwicklung eines hybriden mechanischen Beatmungsgerätes/Lungenunterstützungsgerätes außerhalb des Körpers ab, bei dem die Elemente drahtlos miteinander kommunizieren und künstliche Intelligenz basierenden Algorithmen verwenden, um die Versorgung von invasiv mechanisch beatmeten Patienten mit akutem Lungenversagen zu verbessern.

Das Barkhausen Institut bearbeitet das Teilprojekt zur einfachen, sicheren und zuverlässigen drahtlosen Vernetzung der beteiligten Geräte.

Diese Maßnahme wird mitfinanziert durch das Else Kröner-Fresenius Center for Digital Health (EKFZ).

Projektlaufzeit: 2020-2022

Ansprechpartner: Dr. Maximilian Matthé, maximilian.matthe@barkhauseninstitut.org

Kooperationspartner: Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, Technische Universität Dresden

MetaBoost Projekt

In der BI-Forschungsgruppe Hochfrequenzschaltungen beginnt in 2020 das Projekt Metamaterial-unterstützte Antennensysteme zur Strahlformung in IoT-Anwendungen (MetaBoost).

Die Antenne ist ein Schlüsselelement in jedem Funkkommunikationssystem, sowohl im Empfänger als auch im Sender. Um zukünftige Anwendungen im Internet der Dinge mit hohen Datenraten realisieren zu können, bedarf es deutlich höherer Betriebsfrequenzen. Diese höheren Frequenzen erlauben es nicht nur höhere Datenraten zu erzielen, sondern auch die Baugröße der Antennen zu verringern. Nachteilig sind allerdings die Ausbreitungsverluste solcher Antennen. Diese können durch verschiedene Techniken wie die Kombination von Strahlformung und Strahllenkung behoben werden. Das Ziel des Projektes MetaBoost ist es daher, ein Strahllenkungs-Antennensystem zu entwickeln, welches sich durch eine verringerte Antennengröße auszeichnet und den Energiebedarf von Anwendungen im Bereich des Internets der Dinge entscheidend reduzieren wird. Für die Realisierung solch eines Systems wird die Kombination von verschiedenen Linsen-Konzepten und künstlich hergestellten Materialien – so genannten Metamaterialien - analysiert und angewendet. Ebenso kommen hochauflösende 3D-Druckverfahren zum Einsatz. Die Ergebnisse von MetaBoost tragen dazu bei, neue drahtlose Konnektivitätslösungen zu entwickeln, die die Entwicklung des Internet of Things entscheidend voranbringen werden.

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.

Projektlaufzeit: 2020-2022

Ansprechpartner: Dr. Padmanava Sen, Forschungsgruppenleiter Hochfrequenzschaltungen, E-Mail: padmanava.sen@barkhauseninstitut.org