Immer mehr Fahrzeuge haben eine unsichtbare Aura um sich herum: Sie senden und empfangen auf unterschiedlichsten Frequenzen Daten. Selten genug sind es 5G-Frequenzen – 6G ist erst in ferner Zukunft dabei. (Bild: shutterstock_1019141671)

Noch dreht sich alles um die fünfte Mobilfunkgeneration und schon wird unter der Regie von Fraunhofer IZM an 6G gearbeitet. Eine Maßnahme, um 5G abzulösen, zu etablieren oder einfach den Lauf der Dinge in Sachen Latenz zu beschleunigen?

Während wir bei 5G über eine Datenrate von bis zu 20 Gbit/s und eine Latenz von ca. 1 ms reden, ist der Startschuss für die nächste Generation der Mobilkommunikation längst gefallen. Im Fokus steht ein Terabit Daten, die in einer Sekunde übertragen werden sollen und eine Latenz von ca. 100 µs – also das Fünfzigfache der Datenrate und ein Zehntel der Latenz von 5G. Mit 6G eröffnen sich KI-Anwendungen, die beispielsweise mit sogenannten Digital Twins die Realität in einer virtuellen Welt ohne zeitliche oder räumliche Einschränkungen simulieren.

Treiber der 6G-Entwickung …

… ist das 6Kom-Projekt des BMBF, das vom Fraunhofer IZM koordiniert und zusammen mit dem IHP, der TU Berlin, der TU Dresden und der Universität Ulm bearbeitet wird. Zudem stützen über einen Industriebeirat 15 Unternehmen aus Material- und Packageentwicklung sowie Chipdesign und -herstellung inklusive Testumgebungen das Projekt, wobei Anwender aus Automotive, Luft- und Raumfahrt, Landmaschinentechnik und Telekommunikation die Umsetzung unterstreichen.

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Ziel ist es, eine Hardware-Basis für 6G zu entwickeln und ein effizientes, breitbandiges und miniaturisiertes MIMO-D-Band-Modul mit integrierter Beamforming-Fähigkeit zu erforschen, das für die 6G-Mobilkommunikation Datenraten von mehreren Terabit/Sekunde sowie sehr präzise Lokalisierungsanwendungen gewährleistet. Ebenso stehen mögliche Anwendungsszenarien und deren notwendige Spezifikationen im Fokus der Zusammenarbeit.

Technische Unterschiede zwischen 5G und 6G

Frequenzspektrum: Bis zu 4G hat sich die gesamte Mobilkommunikation im Sub-6-GHz-Bereich abgespielt. Nun, in 5G, läuft es bei 26 GHz, 28 GHz und 39 GHz ab, also erstmals oberhalb des 6 GHz-Spektrums. Bei 6G ist man im Terahertz-Bereich, voraussichtlich im D-Band (0,11 THz bis 0,17 THz). Darüber hinaus könnte 6G auch VLC (Visible Light Communication) verwenden, einen vielversprechenden optischen Kommunikationsansatz für die Nahbereichskommunikation, bei dem sichtbares Licht zwischen ungefähr 400 und 800 THz verwendet wird. Sowohl 5G als auch 6G werden weiterhin auch die Frequenzen unter 6 GHz verwenden. Mittlerweile sind Terahertz-Wellen bereits in vielfältiger Weise technisch im Einsatz, beispielsweise bei Bodyscannern bei der Sicherheitskontrolle an Flughäfen.

Datenrate: 5G erreicht eine Spitzendatenrate von ca. 20 Gbit/s, wohingegen bei 6G eine Höchstrate von mehr als 1 Tbit/s zu erwarten ist. Größter Unterschied zwischen der Datenrate pro Benutzer: Bei 5G beträgt es in etwa 100 Mbit/s, wohingegen es bei 6G etwa 1 Gbit/s lautet.

Latenz: Bekanntlich hat 5G eine Latenz von ungefähr 1 ms, während bei 6G weniger als eine Millisekunde, vorrausichtlich 100 µs, zu erwarten ist. Ideal für Anwendungen wie holografische Kommunikation, Virtual, Augmented und Mixed Reality sowie für die medizinische Ferndiagnose und -chirurgie.

Meinung

Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Ivan Ndip vom Fraunhofer IZM in Berlin

Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Ivan Ndip vom Fraunhofer IZM in Berlin

„Die Spezifikationen von 5G ermöglichen es leider nicht, Infrastrukturen und Netze aufzubauen, die gleichzeitig Hunderte von Gigabit/Sekunde und eine extrem niedrige Latenz gewährleisten. Daher sind wir der Meinung, dass mit 5G wahrscheinlich echtes autonomes Fahren gar nicht möglich sein wird. Dabei wissen wir noch nicht einmal, ob die Spezifikationen, die wir heute für 5G haben, überhaupt erfüllt werden. Die notwendige kollektive oder vernetzte Intelligenz existiert noch nicht. 5G ermöglicht uns auch nicht, die Datenraten und Latenz, die hierfür notwendig sind. Deshalb brauchen wir 6G“, sagt Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Ivan Ndip vom Fraunhofer IZM in Berlin

Im Gegensatz zu 5G wird 6G so entwickelt, dass alle diese Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden. Noch größer wird wohl der Unterschied bei der Anzahl der angeschlossenen Geräte pro Quadratkilometer ebenso wie der Energieeffizienz sein.

Bislang gibt es heute noch keine vollständigen 6G-Lösungen, jedoch werden Konzepte untersucht, um grundlegende Herausforderungen zu lösen. Zuerst muss die enorme Freiraumdämpfung überwunden werden. Dafür sind Mehrantennen-Architekturen mit hunderten Antennen pro Mobilfunk-Basisstation aufzubauen, so genannte massive MIMO-Architekturen (Multiple Input Multiple Output). Zudem gehört geklärt, wie viele Grundelemente aufgebaut und zusammengeschaltet werden müssen, sodass lange Übertragungen, sehr gute Strahlformung und geringer Energieeinsatz möglich sind.

Der erste Schritt ist also, neue massive MIMO-Systemarchitekturen für die effiziente Realisierung der Hardware auszuarbeiten. Der zweite Schritt ist die Umsetzung der Systemarchitektur. Das Fraunhofer IZM forscht daran, die notwendigen Packaging-Technologien für die Systemintegration, neue Terahertz taugliche integrierte massive MIMO-Antennen-Arrays und neue Hochfrequenz-Designmethoden zur Verfügung zu stellen, damit 6G-Frontendmodule aufbaubar sind.

Warum schon 6G, wenn 5G noch nicht einmal Standard ist?

Geplant ist, 6G voraussichtlich ab 2030 einzuführen, jedoch sind noch viele offene Punkte wie zum Beispiel zur Hardwareentwicklung für die Mobilkommunikation über 100 GHz, die wohl voraussichtlich auf das D-Band (0,11 THz bis 0,17 THz) zugreift – ein absolutes Novum, solche Frequenzen für die Mobilkommunikation zu nutzen. Deshalb fängt die Forschungs- und Entwicklungs-Community zehn Jahre früher an, sich mit der Beantwortung der Software- und Hardwarefragen bis zu den Anwendungen zu befassen. In fünf Jahren beginnt die Definition der Spezifikationen, gefolgt von Trials. Im iCampus Cottbus (Innovationscampus Elektronik und Mikrosensorik Cottbus) forscht Fraunhofer mit der BTU Cottbus-Senftenberg und zwei Leibniz-Instituten an den passenden Vernetzungstechnologien inklusive der Sensorik. Die Institute agieren innovativ auch an sensorischen Systemen für 4.0-Anwendungen aus den Bereichen Industrie, Landwirtschaft und Smart Health.

Hintergrund

BMBF-Projekt ForMikro – 6GKom

Zur Erforschung miniaturisierter und ultrabreitbandiger Mikroelektronik-Module für die zukünftige Mobilkommunikation sind neben den erwähnten Forschungsinstituten diese Industrieunternehmen beteiligt: Heraeus, Isola, Schott, Contag, Infineon, Globalfoundries, Airrays, Alcan Ssystems, Rohde&Schwarz, Creonic, Hirschmann Car Communications, Ericsson, Continental, John Deere und Airbus.

Interessant ist auch der Aspekt neuer Geschäftsmodelle mit 6G: Seit 5G spielt die Aufbau- und Verbindungtechnik eine sehr wichtige Rolle bei der Entwicklung von drahtlosen Systemen für Mobilkommunikationsanwendungen. Da es nicht mehr trivial ist, ein Hochfrequenz Frontendmodul für Mobilkommunikation herzustellen, sind die Material-, Leiterplatten- und Komponentenhersteller gefordert. Diese Herausforderung eröffnet neue Geschäftsmöglichkeiten insbesondere für KMUs, die bisher bis zu 4G kaum in Erscheinung treten konnten. Kreative und neue Geschäftsmodelle sind denkbar und forcieren deren Umsetzung, die auch für 6G möglich sind.

Die für 6G denkbaren Frequenzen im Bereich 0,11 THz bis 0,17 THz brauchen kleinere Komponenten und Systeme, die in bestehende Geräte/Maschinen integriert werden und neue Upgrades einführen, ohne die Ästhetik oder den Formfaktor der Geräte/Maschinen wesentlich zu verändern. Infolgedessen könnten sich insbesondere in der vertikalen Industrie unzählige neue Anwendungen ergeben, die eine wahre Flut an neuen Geschäftsmodellen andeuten.