L5 IN - Level 5 Indoor Navigation

Abstract

Ziel des Forschungsprojektes Level 5 Indoor Navigation (L5IN) war es anhand eines prototypischen Aufbaus die notwendigen Voraussetzungen für den Aufbau einer Applikation zur Indoor Navigation und Potenziale für den Einsatz des 5G Mobilfunkstandards zu erforschen. Im Rahmen des Projektes wurden dabei folgende Meilensteine umgesetzt:

Aufbau und Inbetriebnahme eines privaten 5G Non-Standalone Campusnetzwerkes (5G NSA) an der HafenCity Universität (HCU). Experimentelle Implementierung zusätzlicher Komponenten zur Extraktion von Positionen aus dem privaten Campus Netzwerk für kommerzielles User Equipment (Smartphones, Tablets). Aufbau eines cloudbasierten Location Client Servers (LCS) zur Distribution von Informationen aus dem 5G Netz im Rahmen des Experimentalsystems an der HCU. Aufbau und Inbetriebnahme eines UWB-Referenznetzwerkes an der HafenCity Universität (HCU). Aufbau eines cloudbasierten Systems zur Speicherung und Auswertung aller Daten für weitergehende Forschungen und Entwicklungen im Bereich der datenorientierten und hardwareunabhängigen Positionsbestimmung sowie als Grundlage für Anwendungsfälle im Flow Management von Personenströmen. Entwicklung von Prozessen zur Aufbereitung von heterogenen Datenquellen zur Erzeugung von Navigationsgrundlagen (Karte, Routinggraph, Adressbücher) Design und Entwicklung einer Applikation für die Navigation in Gebäuden basierend auf Android und testweise mit iOS. Integration von automatisierten Prozessen zur Skalierung für weitergehende Anwendungen in neuen Gebäuden. Integration heterogener Sensorinformationen aus 5G NSA Netzen, UWB Netzwerken und Inertialsensoren des Smartphones in die modulare Softwarearchitektur der App. Algorithmen zur Indoor Navigation für eine Inertialsensor-basierte Indoor Navigation und Implementierung von Optimierungsalgorithmen zur Positionsbestimmung für eine 3GPP-Rel. 16 äquivalente Genauigkeit der Positionsbestimmung. Aufbau eines Evaluationskonzeptes nach ISO/IEC 18305 „Information technology — Real time locating systems — Test and evaluation of localization and tracking systems“, sowie die Erhebung von Messdaten aus den Netzen und der App für die Qualitätssicherung und wissenschaftliche Beurteilung des Gesamtsystems. Durchführung und Auswertung von Testreihen zur Positionsbestimmung mit einem 5G-Experimentalnetz im Labormaßstab am Standort des Forschungspartners Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS). Präsentation / Demonstration des Projektes in der Öffentlichkeit

Die, im Projektverlauf gesammelten, Key-Learnings aus dem Projekt sind:

Eine 3GPP Release 16 konforme Positionsbestimmung ist erst bei Verfügbarkeit von privaten 5G Standalone Campusnetzwerken möglich. Diese sind nach Aussagen der Technologieanbieter seit dem Q4 2023 kommerziell verfügbar. Basierend auf den gesammelten Erkenntnissen ist der Einsatz für UseCases in Arealen und Gebäuden mit großen Flächen (bspw. Logistikhallen, Messehallen, Bahnhöfe, Flughäfen) vielversprechend. Für den Einsatz in kleineren oder komplexeren Gebäuden kann aus technologischen und ökonomischen Gründen nicht allein auf eine 5G Infrastruktur gesetzt werden. Hierbei sind hybride Systeme aus der Nutzung von Mobilfunk und Sensoren des Smartphones in Verbindung mit datenorientierten Algorithmen wirtschaftlich sinnvoller. Die, im Projekt entwickelte, App zur Indoor Navigation der HCU bietet aufgrund ihrer modularen Architektur für beide Szenarien die notwendigen Algorithmen. Die Verwendung von kommerziell verfügbaren Smartphones (entsprechend des UseCases und Projektzieles) stellt eine kritische technologische Engstelle dar. Die Hardware-Spezifikationen der marktüblichen Smartphones sind derzeit für Forschungszwecke nicht geeignet. Dies bedingt sich aus dem Fokus der Betreiber von Campus Netzwerken auf industrielle Anwendungsfälle. Bis vor kurzem haben Hersteller wie Apple die speziellen Mobile Country Codes (MCC) und Mobile Network Codes (MNC) von Campusnetzen (999 99) nicht unterstützt, sodass sich diese Geräte nicht einwählen können. Für die zukünftige wirtschaftliche Weiterverwertbarkeit der Ergebnisse ist darüber hinaus der switch zwischen privaten und öffentlichen Campusnetzwerken zu betrachten. In den aktuellen Entwicklungsansätzen von Unternehmen sind spezielle SIM-Karten erforderlich, die eine Einwahl in das jeweilige System ermöglichen. Es gibt theoretische Ansätze hinsichtlich Shared Radio Access Networks (Shared RAN) Konzepten bei denen ein öffentlicher Mobilfunkprovider gemeinsam mit privaten Campus Netzwerk-Betreibern arbeitet Eine Lösung der Schnittstelle kann nur im Rahmen zukünftiger gemeinsamer Projekte mit Mobilfunkbetreibern gelöst werden.

Mit dem L5IN Projekt wurde Grundlagenforschung in der Entwicklung einer skalierbaren Applikation zur Personennavigation in Gebäuden betrieben. Die entwickelten und vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass es zahlreiche Anwendungsfelder für den Einsatz gibt.