CLOUD56 - Skalierbare Cloud-Architektur für 5G/6G RAN und Applikationen in der Industrie
CLOUD56 ist ein industrielles Forschungsprojekt, das die Grenzen der Netztechnologie neu definiert. In diesem Projekt wird erstmals die Virtualisierung des Radio Access Network (CloudRAN) und industrielle Applikationshardware auf einer gemeinsamen Plattform vereint. Dieser innovative Ansatz ermöglicht eine Vielzahl von Vorteilen, darunter eine erhöhte Verfügbarkeit und Energieeffizienz, eine verbesserte Skalierbarkeit und Wartbarkeit sowie eine dramatische Beschleunigung von 5G/6G-Implementierungen.
Es werden verschiedene Architekturen als On-Premise-Lösungen modelliert und implementiert, um kurze Antwortzeiten für zeitkritische Anwendungen sicherzustellen. Dabei steht die Zusammenarbeit mit Unternehmen aus verschiedenen Branchen im Fokus, darunter die Produktion, das Gesundheitswesen und die Bauproduktion. Die entwickelte Infrastruktur wird in umfangreichen Studien eingehend analysiert, um ihre Performance, Sicherheit, Skalierbarkeit, Übertragbarkeit auf andere Plattformen und die Möglichkeit zur Integration zukünftiger 6G-Funktionen zu bewerten.
Die Ziele im Überblick:
- Physisch zu virtuell: Hardware im OP wird durch virtualisierte Server-Anwendungen ersetzt
- Verfügbarkeit und Energieeffizienz: Die Verfügbarkeit von Netzwerken wird maximiert und gleichzeitig die Energieeffizienz erhöht
- Skalierbarkeit und Wartbarkeit: Die Skalierungsmöglichkeiten ermöglichen den Betrieb sowohl sehr großer Netzwerkelemente als auch den sehr kleiner sowie eine verbesserte Wartbarkeit.
- Beschleunigung von 5G/6G-Deployments: Durch die neuartigen containerbasierten Virtualisierungen sollen Deploymentszeiten von 5G/6G Applikationen erheblich verkürzt werden.
- Branchenübergreifende Anwendungen: Die Use Cases werden auf verschiedene Branchen verteilt, um dort das Potential der innovativen Lösungen dort zu nutzen.
- Forschung und Zusammenarbeit: Um die gemeinsamen Ziele zu erreichen und die Zukunft der Netztechnologie zu gestalten, ist eine enge Zusammenarbeit mit Unternehmen und Forschungseinrichtungen unerlässlich.
Förderung
Das Projekt CLOUD56 wird vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) gefördert.
Förderkennzeichen: 11-12212
(Projektlaufzeit: 04/2023 – 12/2024)
Es werden in insgesamt 5 Arbeitspaketen die folgenden Bereiche adressiert:
- Sensor-zu-Cloud Pipeline für Condition Monitoring in der Stahlproduktion
- Entwicklung, Implementierung und Erprobung von KI-basierten Perception Algorithmen für Roboteranwendungen sowie Virtualisierung und Orchestrierung der Anwendungen auf einem Edge-System
- Virtualisierte Assistenzfunktionen in OP und Klinik
- Cloud- und roboter-gestützte Vorfertigung von Stahlbauteilen
- Erweiterung der Cloud RAN-Infrastruktur um zukünftige Features
Der Lehrstuhl für Medizintechnik behandelt das Thema Virtualisierte Assistenzfunktionen in OP und Klinik. Innerhalb dieses Arbeitspaketes werden in drei Use Cases die Vorteile von 5G/6G Campusnetzen und Cloud RAN Deployments für die Anwendung vernetzter Medizingeräte im Operationssaal gezeigt. Das 5G-Campusnetz wird hierbei auf dem Demonstrator-OP am Lehrstuhl für Medizintechnik der RWTH Aachen ausgedehnt. Ausgewählte klinische Assistenzfunktionen werden als containerisierte Services in hybride Cloud-Edge-Deployments überführt und stehen damit allen angebundenen Operationssälen und Behandlungszimmern zur Verfügung.
Die einzelnen Use Cases sind dabei:
Use Case 1: Kabellose Ensemblebildung
Damit Medizingeräte im offen vernetzten Operationssaal miteinander kommunizieren können, ist im ersten Schritt eine Ensemblebildung zwingend notwendig. Dabei werden anhand vorher definierter Merkmale (Position, Tags, etc.) Geräte zueinander assoziiert und ein Geräteverbund (Ensemble) erstellt. Eine SDC Kommunikation nach ISO IEEE 11073 SDC kann und darf nur innerhalb eines solchen Ensembles stattfinden. Besonders kritisch ist die Assoziierung der Geräte durch eine korrekte Authentifizierung und Identifizierung der Anwender und Geräte.
Im vernetzten OP-Saal stellen insbesondere die Mobilität und die Kabellosigkeit neue Herausforderungen für die IT-Sicherheit dar. Daten und Geräte müssen einander korrekt zugeordnet werden und auch beim Patiententransport darf kein fehlerhaftes Ensemble erzeugt werden. In diesem Arbeitspaket werden daher Methoden zur kabellosen Ensemblebildung mittels 5G und SDC untersucht.
Use Case 2: Videostreaming
Besonders hohe Anforderungen gehen aus dem Use Case der drahtlosen Vernetzung eines Endoskopie-Gerätewagens hervor. Virtualisierte Applikationen zur Verarbeitung des Videosignals kommen dabei zum Einsatz. Dies ermöglicht die Verarbeitung des Videostreams mit verschiedenen klinisch relevanten Bildfiltern bzw. erlaubt bildbasierte Vorhersagen (Klassifikation, Detektion, Segmentierung, Interpretation, etc.). Das Ergebnis der klinischen Applikationen kann dem Anwender noch während der OP auf einem zentralen Monitor im OP-Saal angezeigt werden.
Ein leistungsfähiger 5G-Konnektor wird in ein OP-Gerätewagen integriert und der entsprechende Datenstrom im Netzwerk (Quality of Service) kann priorisiert werden, um Verzögerungen oder Ausfälle bei steigender Netzwerkbelastung zu verhindern. Dies stellt eine Herausforderung dar, da die Anforderungen an niedrige Latenz und hohe Datenraten in den herkömmlichen 5G-Anwendungsprofilen (eMBB, URLLC) oft im Konflikt stehen. Das Ergebnis ist die Datenverarbeitung von Videodaten in der Edge-Cloud statt mit kostspieliger redundanter Hardware in OP-Sälen. Vor Ort würde es dann einen Shift zur reinen Sensorik und Anzeigegeräten geben.
Use Case 3: Sprachsteuerung im OP
Auf Basis von lernfähiger Algorithmik wird eine Sprachsteuerung im OP entwickelt, die sichere und gebrauchstaugliche Steuerung von Medizingeräten über einfache Befehle ermöglicht. Zudem werden auch komplexe Anweisungen für die Konfiguration von Applikationen ermöglicht. Die Ziele umfassen die Bestimmung von Akzeptanzkriterien, die Installation einer Sprachsteuerungslösung als Edge-Cloud-Deployment, die universelle Befehlserkennung, die dynamische Gerätesteuerung, die Funktionsbelegung und die Überprüfung der Reaktionszeit und Treffsicherheit bei Fachbegriffen. Die Anwendungsfälle reichen von der Zuweisung von Funktionen zu spezifischen Gerätetasten bis zur Feinjustierung von medizinischen Geräten durch gesprochene Anweisungen. Ein Edge-Cloud-Deployment reduziert die Latenz und eliminiert die Notwendigkeit von Rechenclustern im OP-Saal.
Erwartete Auswirkungen:
Das Arbeitspaket Virtualisierte Assistenzfunktionen in OP und Klinik im Projekt CLOUD56 zielt darauf ab, Klinikern Anwendungen im OP-Saal mit geteilter und virtualisierter Edge-Cloud Hardware und Applikationen verfügbar zu machen. Damit entsteht ein Mehrwert für das medizinische Personal, dem Krankenhaus und letztendlich aus den Patienten. Die verbesserte Skalierbarkeit und Wartbarkeit sparen zudem weiter Ressourcen ein. Die Verwendung der herstellerübergreifenden ISO IEEE 11073 SDC Standardfamilie ermöglicht zudem, kleinen und mittelständischen Unternehmen einen barrierefreien Marktzugang und stärkt somit den Wettbewerb.
Die im Projekt entwickelte Infrastruktur wird hinsichtlich ihrer Performance, Skalierbarkeit und der Möglichkeit zur Integration zukünftiger 6G-Funktionen zu bewertet und bietet somit die Grundlage für Implementierungen solcher Anwendungen.
Partner
- Lehrstuhl für Medizintechnik, RWTH Aachen
- SurgiTAIX AG
- Richard Wolf GmbH
Assoziierter Partner
- OR.NET e.V.
Unteraufträge
- Beger Design
- Bonn Surgical Technology Center (BOSTER)
- OP-Management, Universitätsmedizin Essen
- IMA Consult