Vorschau auf die nächste Mobilfunkgeneration
07.04.2022, 13:53 Uhr
6G – was kommt auf uns zu?
Kaum ist 5G eingeführt, starten bereits erste Forschungen zu dessen Nachfolger. Wie 6G dereinst genau aussehen wird, ist noch unklar. Trotzdem werden erste Eckpfeiler gesetzt, welche die Richtung vorgeben.
Die sechste Mobilfunkgeneration (6G) wird eine deutlich schnellere Datenübertragung und eine noch tiefere Latenz als ihre Vorgängerin 5G erlauben
(Quelle: Shutterstock/chaythawin)
Spätestens bei Einführung der vierten Mobilfunkgeneration 4G/LTE (Long Term Evolution) wurde deutlich, dass die Technologieentwicklung eher als Evolution denn Revolution verläuft. Dies trifft auch auf 2G/GSM (Global System For Mobile Communications) zu, das erstmals voll digital funktionierende Mobilfunknetz. Diese erste Generation wurde in der Schweiz 2021 abgeschaltet. Auch 3G/UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) wird wohl spätestens 2024 dasselbe Schicksal treffen. Schon dessen Name zeigt, dass der ISDN-Gedanke aus dem Festnetz auch dessen Design bestimmte.
In Deutschland ist es genau umgekehrt: Die um die Jahrtausendwende in spektakulären Versteigerungen erworbenen UMTS-Lizenzen sind aufgrund der 3G-Abschaltung hinfällig. Dafür lebt 2G weiter – unter anderem wegen der auf diesem Netz laufenden Telemetrie-Anwendungen, dies gerade auch in Osteuropa. Sowohl 2G als auch 3G sind sehr auf die Sprachkommunikation ausgerichtet und nutzen die teuer ersteigerten Frequenzen nur sehr ineffizient. Durch deren Abschaltung stehen die Frequenzbereiche 900 und 1800 MHz (2G) sowie 1,8/2,1/2,6 GHz (3G) als Funkkapazitäten für 4G und 5G zur Verfügung.
3GPP setzt die Standards
Bei der Entwicklung von 5G stand die Steigerung der spektralen Effizienz im Zentrum. Sie gibt in Bit/Hz an, wie viel Kapazität aus einem Funkspektrum herausgeholt werden kann. Hinzu kamen eine ultratiefe Latenz (ca. 3–10 Millisekunden) und hohe Bandbreiten (ca. 1–3 Gbit/s). Der schnelle Zugang zu Netzinformationen ermöglicht eine computergestützte Suche nach komplexen Inhalten in lokalen Clouds oder die Bestimmung des Aufenthaltsorts. 5G eignet sich damit als Basis für neue Anwendungen wie die Verkehrslenkung, das Internet der Dinge (IoT), Cloud Computing und «Industrial 5G».
Nach wie vor kümmert sich das «3rd Generation Partnership Programm» (3GPP) um die Standards, ob 4G, 5G oder künftig 6G. Als führendes Standardisierungsgremium für Mobilkommunikation hat 3GPP über Jahrzehnte Grosses und Wegweisendes geleistet – für die Öffentlichkeit weitgehend unbemerkt. Die Standards werden schrittweise in einem evolutionären, iterativen Entwicklungsprozess erarbeitet und als Releases veröffentlicht. So wird für 5G Phase 3 noch in diesem Monat der 3GPP Rel. 17 erwartet, gefolgt von Rel. 18 etwa Ende 2023 mit 5G Phase 4.
Evolution von Mobilfunkstandards in 3GPP
Quelle: Rüdiger Sellin
Neue Frequenzspektren für 5G und 6G
Für 5G wurden Frequenzen in den Bändern 700, 1400 und 2600 MHz sowie 3,5 GHz vergeben. Besonders das 700-MHz-Band weist sehr gute Übertragungseigenschaften auf, womit Wände auch ohne Signalverstärker oder Inhouse-Sender durchdrungen werden können. Entsprechend teuer sind solche Frequenzen in Auktionen. 5G könnte auch höhere Frequenzbereiche über 6 GHz bis zu 60 GHz nutzen, was in der Schweiz aber nicht der Fall ist. Für 6G sind Frequenzbereiche von 100–300 GHz bis zu 10 THz im Gespräch. Ab etwa 30 GHz wird von sogenannten Millimeter-Wellen (mmW) gesprochen, die eigene Charakteristika haben und Signale nur im Nahbereich übertragen können.
Derart kurze Wellen dringen nicht in Gebäude ein und haben eine extrem kleine Reichweite. Sie eignen sich fast nur für Nahfeld-Übertragungen und Inhouse-Anwendungen. Es wird heute davon ausgegangen, dass für 6G, ähnlich wie für WLANs, hausinterne Zugangspunkte die Versorgung innerhalb von Gebäuden oder an schwierig zugänglichen Punkten sicherstellen. 6G wird daher kein singuläres Radio Access Network (RAN) nutzen, sondern sich auf mehrere Netze abstützen. Dies werden neben lizenzfreien Netzen wie WLANs auch andere, teilweise noch nicht existente Netzzugänge sein. Dazu zählt die Signalübertragung über Visible Light Connections (VLCs), die sichtbares Licht zwischen 400 und 800 THz umfassen. Auch Satellitenverbindungen sind vorgesehen – eine Art «Multi-Connectivity» also.
Verbesserungen von 5G zu 6G
Quelle: Rüdiger Sellin
Widerstand gegen 6G kommt sicher
Bei 6G sollen die Daten extrem schnell übertragen werden. So sind Spitzendatenraten von bis zu einem 1 Terabit/Sekunde vorgesehen (1 Terabit = 1000 Gigabit = 1 000 000 000 000 Bit). Beim Benutzer sollen davon immer noch 8 Gigabit pro Sekunde ankommen, 8000-mal mehr als bei 5G. Trotzdem sollen die Daten nicht nur schnell übertragen werden, sondern auch schneller ankommen. Ein Mass dafür ist die Übertragungsverzögerung, die sogenannte Latenz, die bereits bei 5G nur rund 3 Millisekunden beträgt, bei 6G aber auf 100 Mikrosekunden sinken soll. Solche Eckdaten lassen sich nur mit aufwendigsten Netzarchitekturen und hochleistungsfähigen sowie hoch integrierten Chipsätzen erreichen. Die Wellenlängen werden so kurz sein, dass das Signal nicht in Gebäude oder entlegene Ecken gelangt. Somit müssten möglichst viele Sender mit hoher Leistung aufgestellt werden. Beides ergibt weder ökonomisch noch ökologisch Sinn und wird sich für Netzbetreiber kaum rechnen.
Seitens der Antennengegner ist mit verschärftem Widerstand zu rechnen. Denn die für 6G nötigen Millimeterwellen wurden bereits bei 5G als Hauptargument ins Feld geführt, obwohl 5G diese gar nicht einsetzt, sondern in tieferen Frequenzbereichen agiert (maximal 3,5 GHz). 6G hingegen soll dereinst auf Frequenzen mit bis zu 10 THz funken. Deren Unbedenklichkeit zu beweisen, ist eine wichtige Aufgabe der Forschung. Die Netzbetreiber sollten aus den Fehlern bei 5G lernen und sich nicht nur um eine gut funktionierende Netzarchitektur, sondern auch um mögliche Auswirkungen auf den menschlichen Körper kümmern. Denn der Widerstand kommt sicher und dann zählen nur Fakten.
Neuartiges 6G Core Network
Ebenso wie das RAN wird auch das Kernnetz für 6G völlig anders strukturiert sein und dem Prinzip kognitiver Netze folgen. Denn die geplanten Höchstgeschwindigkeiten und ultratiefe Latenzen bedingen Steuerungsmechanismen, die nicht erst reagieren, wenn eine Serviceanforderung eintrifft, sondern proaktiv agieren, also im Voraus wissen, was eine Instanz (Mensch, Maschine etc.) eigentlich will. Inspiriert durch die Vorzüge softwarebasierter Netze wird bei 6G der Signalfluss und die Bereitstellung von Diensten völlig flexibilisiert. Je nach jeweils nötiger Bandbreite, Latenz und Quality of Service entscheidet die Steuerungsintelligenz immer wieder von Neuem, welchen Weg das Signal nimmt und welche Ressourcen dazu nötig sind.
Kognitive Netzwerkumgebung für 6G
Quelle: Rüdiger Sellin
6G-Netzwerkumgebung erkennt Muster
Durch Beobachtungen kann das kognitive Netzwerk beispielsweise Muster in der Ressourcennutzung autonom finden und Massnahmen treffen, um diese Nutzung zielgerichtet zu optimieren. Ein kognitives System hat die Fähigkeit, seine Aktionen basierend auf einer definierten Nutzenfunktion zu bewerten. Auf diese Weise kann festgestellt werden, welche Aktion die bevorzugte Wirkung hat. Damit kann sich das autonome System nicht nur an neue Situationen in der verwalteten Umgebung anpassen, sondern auch an eine wachsende Palette geschäftlicher Ziele abdecken und erfüllen – und zwar besser, als ein Mensch dies könnte.
Ein kognitives Netzwerk erreicht ein hohes Mass an Autonomie und entlastet den Netzbetreiber von direkten Netzmanagement-Aufgaben, etwa bei der Entscheidung über Lösungsstrategien zur Zielerreichung und Durchführung operativer Massnahmen. Dank der Entwicklung kognitiver Netzwerke für 6G werden sich die Aufgaben menschlicher Arbeitskräfte in Richtung Prozessführung entwickeln. 6G-Operators werden das Netzwerk in seinen Lern- und Entscheidungsprozessen führen, damit das Netzwerk einen höheren Grad an Autonomie und Selbstverwaltung erhält. Damit wird der Operator entlastet und die Dienstleistung zielgerichtet optimiert, sowohl betreffend QoS als auch in Richtung neuer Geschäftsfelder.
Ein völlig neuer Denkansatz
Mehr Autonomie im Netzwerk bedeutet auch, dass Menschen mit ihm interagieren, indem sie Anforderungen und Ziele festlegen, um die Geschäftsziele und Kundenbedürfnisse des Operators festzulegen und zu steuern. Damit das 6G-Netzwerk autonom funktioniert, muss ihm ein gewisses Mass an Freiheit zugestanden werden, seine Aktionen frei wählen zu können. Auch hier findet sich eine Parallele zu uns Menschen: zur Kindererziehung oder Mitarbeiterführung. Denn im Vordergrund stehen die zu erreichenden Ziele und Absichten statt Vorgaben, wie etwas zu tun ist. Damit kann das kognitive Netzwerk Lösungsstrategien finden, um diese Anforderungen ohne weitere Anweisungen zu erfüllen, was den Netzbetreiber entlastet.
Zur Realisierung kognitiver Netzwerke für 6G existieren einige Schlüsselbereiche in der Netzwerkarchitektur, die in nächster Zukunft neu- oder weiterzuentwickeln sind. Um die erforderlichen Funktionen zur Leistungsoptimierung und zur gewünschten betrieblichen Effizienz zu entwickeln, wurden einige wenige, aber zentrale «Technology-Enabler» definiert. Dazu zählen:
- ein datengesteuerter IT- und Netzbetrieb
- eine verteilte Intelligenz
- ein kontinuierliches Beobachten und Lernen
- eine absichtsbasierte Automatisierung
- eine erklärbare und vertrauenswürdige künstliche
- Intelligenz (KI)
- eine kognitive 6G-System- und -Netzumgebung
Ausblick
Gegenwärtig kann davon ausgegangen werden, dass 6G die Vorgängergenerationen frühestens ab 2030 schrittweise ablösen wird. Doch bis dahin ist noch viel Arbeit zu erledigen, vor allem in den Standardisierungsgremien, aber auch in der Forschung. Denn bei 6G sind derart viele neue Komponenten involviert, die ein profundes Systemdesign und gründliches Testen bedingen, damit die Zuverlässigkeit von 5G am Ende wirklich übertroffen wird. Denn der Druck auf die Anbieter wird sehr gross sein – seitens des Bandbreitenbedarfs, der Anwendungen und der Nutzer. So besteht dank der erfolgreichen Vorgänger 4G und 5G eine hohe Erwartungshaltung. Tiefgreifende technische Probleme können sich die Anbieter wie Anfang 2020 bei einzelnen 5G-Neulingen nicht erlauben.
Der Autor
Rüdiger Sellin
ist Diplom-Ingenieur (FH) und arbeitet seit 1992 als Fachjournalist (SFJ/MAZ) mit den Schwerpunkten ICT und Elektrotechnik.
