6G: Neuer Mobilfunkstandard – neue Möglichkeiten
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Die Hochspannungsanlage im Umspannwerk hat einen Fehler. Die nächste Fachkraft, die zur Reparatur qualifiziert ist, befindet sich hunderte Kilometer entfernt. Doch das ist kein Problem. Der lokale Mitarbeiter setzt seine Extended-Reality-Brille auf, verbindet sich mit der Expertin und betritt den Hochsicherheitsbereich. In Echtzeit sieht die Expertin nun, was er sieht, kann ihm auf seiner Brille Hinweise einblenden und zugleich verbal mit ihm kommunizieren. So kann sie über weite Entfernungen hinweg selbst feststellen, wo der Fehler liegt, und dem Mitarbeiter vor Ort genau zeigen, welche Kabel er auf welche Weise handhaben muss.
Für diese Form der Fernwartung ist eine extrem hohe Datenübertragungsrate erforderlich, kombiniert mit einer sehr niedrigen Latenzzeit, also einer möglichst geringen Verzögerung. „Diese Eigenschaften bietet der neue Mobilfunkstandard 6G“, erklärt Prof. Christian Wietfeld von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik. In dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Forschungshub 6GEM arbeitet er am Mobilfunk der sechsten Generation. Der Name 6GEM ist ein Kunstwort aus 6G und dem englischen Wort „Gem“, also Juwel – eine Anspielung auf das Logo des Forschungshubs, einen schwarzen Diamanten. „Dieser steht für die ehemaligen Kohlestandorte im Ruhrbergbau und Aachener Revier und spiegelt den Strukturwandel von Kohle zu High-Tech“, erklärt Wietfeld.
Das Ziel von 6GEM ist, den neuen Mobilfunkstandard effizient, sicher und stabil zu gestalten. Dabei geht es nicht nur darum, die technischen Möglichkeiten auszuloten und zu erweitern, sondern auch mögliche Anwendungsfelder mit ihren spezifischen Anforderungen von Anfang an in die Entwicklung einzubeziehen. „Aus technischer Sicht ist es beispielsweise interessant, immer höhere Datenraten zu erreichen – aber für die inzwischen erreichten Spitzenwerte gibt es bisher noch gar keine Anwendung“, sagt Wietfeld. Wichtig sei deshalb ein ganzheitlicher Blick, von den technischen Grundlagen bis hin zur Anwendung. „Um die Forschung wirklich auf den Bedarf zuzuschneiden, haben wir mehrere Testfelder, in denen wir die 6G-Technologie in konkreten Anwendungsfällen prüfen und validieren.“
6G wird energieeffizienter sein als 5G und trotzdem eine höhere Datenübertragungsleistung bereitstellen. Prof. Christian Wietfeld
Das Bundesforschungsministerium fördert den 6GEM-Forschungshub von 2021 bis 2025 mit 43 Millionen Euro. Beteiligt sind neben der Technischen Universität Dortmund unter anderem die RWTH Aachen, die Ruhr-Universität Bochum, die Universität Duisburg-Essen sowie mehrere Fraunhofer-Institute und das Max-Planck-Institut für Sicherheit und Privatsphäre. Am Standort Dortmund sind insbesondere die Fakultäten Elektrotechnik und Informationstechnik, Informatik sowie Maschinenbau der TU Dortmund und das Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik beteiligt. Das Projekt bündelt die wissenschaftliche Expertise zu 6G und trägt damit dazu bei, dass Deutschland international eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und Gestaltung des neuen Mobilfunkstandards einnimmt.
Stabiles Netz auch im Notfall
Eines dieser Testfelder ist das Deutsche Rettungsrobotik-Zentrum (DRZ) in Dortmund. Gemeinsam mit Rettungskräften entwickeln Wietfeld und sein Team hier Lösungen, wie mobile, ferngesteuerte Robotersysteme in Notsituation helfen können – beispielsweise, um vermisste Personen aus eingestürzten Gebäuden zu retten. „In diesem Szenario können die Einsatzkräfte in sicherer Entfernung bleiben und zugleich per VR-Brille in die Umgebung eintauchen, als wären sie selbst dort. Die Bewegungen der Roboter können sie mit ihren Gesten steuern“, beschreibt Wietfeld. „Auch in diesem Fall sind eine schnelle, stabile Verbindung und eine geringe Latenz entscheidend.“
Doch was ist, wenn sich der Einsatzort in einem Funkloch befindet? „Um für solche Situationen gerüstet zu sein, ist ein wesentliches Element unserer Forschung die sogenannte Ad-hoc-Fähigkeit“, sagt Wietfeld. Das bedeutet, dass sich ein Mobilfunknetz spontan mit Hilfe mobiler Ausrüstung aufbauen lässt. Das DRZ hat dazu ein Forschungsfahrzeug ausgerüstet, das ein leistungsstarkes Mobilfunknetz erzeugen kann. Dieses Netz steht bei Bedarf auch in Extremsituationen zur Verfügung und ist unabhängig von der örtlichen Netzabdeckung. „Wir stellen uns vor, dass solche mobilen Ad-hoc-Einheiten zukünftig die deutsche Netzinfrastruktur ergänzen könnten“, sagt Wietfeld. „Damit ließen sich beispielsweise auch bei Stromausfällen grundlegende Funktionen des Kommunikationsnetzes aufrechterhalten. Wir sprechen in diesem Zusammenhang von einem resilienten System.“
Zielgerichtete Datenübertragung
Bis die 6G-Technologie einsatzfähig ist, arbeiten das Forschungsfahrzeug und die weiteren Testfelder mit dem aktuellen Mobilfunkstandard 5G – allerdings in einer modifizierten Version. „Um punktuell sehr hohe Datenraten zur Verfügung stellen zu können, haben wir ein Priorisierungssystem entwickelt, das sogenannte Scheduling“, berichtet Wietfeld. Statt allen mit dem Netz verbundenen Einheiten kontinuierlich die gleiche Leistung zur Verfügung zu stellen, erkennt eine Künstliche Intelligenz (KI), welches Gerät wie viel Leistung benötigt. Wird ein Rettungsroboter gerade in Echtzeit gesteuert, erhält dessen Datenübertragung Priorität und funktioniert dadurch besonders schnell und zuverlässig. Andere, weniger zeitkritische Anwendungen erhalten dafür eine etwas geringere Übertragungsrate.
„Unser Ziel ist es, dass die KI zukünftig vorhersagen kann, wo welche Datenpakete in den nächsten Sekunden zu erwarten sind. Statt erst auf Anforderung zu reagieren, soll sie die benötigten Ressourcen proaktiv bereitstellen“, sagt Wietfeld. Diese Fähigkeit könnte auch zum Einsatz kommen, wenn 6G ab 2030 deutschlandweit eingeführt wird. Denn während bisherige Mobilfunknetze so ausgelegt sind, dass sie möglichst dauerhaft eine breite Abdeckung liefern, soll 6G zielgerichtet jeweils dort zur Verfügung stehen, wo es in diesem Augenblick gebraucht wird. Der Schlüssel dazu sind stark gerichtete Antennen, die ihre Sendeleistung dort fokussieren, wo gerade eine Nutzung stattfindet. „Das führt dazu, dass 6G energieeffizienter als 5G ist, und dabei eine höhere Datenübertragungsleistung bereitstellt“, erklärt Wietfeld.
Um auch bewegliche Objekte mit Daten zu versorgen, muss das Funksignal den Empfangsgeräten folgen – sei es ein Smartphone oder ein selbstfahrendes Auto. Das erhöht die Systemkomplexität, sorgt aber letztlich für mehr Effizienz. Eine weitere Herausforderung ergibt sich dadurch, dass die gerichteten Antennen jeweils eine direkte Verbindung zum jeweiligen Empfänger brauchen. Blockieren beispielsweise dicke Wände oder hohe Gebäude den Weg des Signals, würde der Empfang abbrechen. Doch auch dafür hat Wietfelds Team bereits eine Lösung gefunden: „Wir haben besonders strukturierte Oberflächen entwickelt, die das Funksignal in einer steuerbaren Art und Weise reflektieren“, erklärt Wietfeld. „Damit können wir quasi über Bande spielen und das Signal um die Ecke leiten.“ Wenn solche reflektierenden Oberflächen, HELIOS-Reflektoren genannt, an Gebäuden angebracht werden, wird eine nahtlose Funkabdeckung möglich, auch wenn der direkte Pfad blockiert ist. Auch im Indoor-Bereich, etwa in Produktionshallen, können die HELIOS-Reflektionsflächen zum Einsatz kommen. Da sie mithilfe von 3D-Druckern hergestellt werden, lassen sie sich spezifisch für den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
Plattform für Innovationen
Wie genau 6G unseren Alltag verändern wird, lässt sich laut Wietfeld bisher kaum absehen. „Grundlegend eröffnet die viel höhere Datenübertragung eine große Bandbreite neuer Möglichkeiten“, sagt er. „Das schafft beispielsweise neue Potenziale im Bereich virtuelle und erweiterte Realität, denn dabei sind sehr hohe Datenraten erforderlich.“ Denkbar wäre daher aus seiner Sicht, dass wir zukünftig nicht mehr unser Smartphone, sondern eine VR-Brille dabeihaben, die es uns ermöglicht, jederzeit in hochauflösende virtuelle Umgebungen einzutauchen oder unsere Realität zu erweitern – sei es zum Vergnügen oder im beruflichen Kontext.
Auch im Bereich Mobilität ergeben sich neue Möglichkeiten. So könnten selbstfahrende Autos bei Bedarf per Teleoperation von einem Menschen gesteuert werden, der sich virtuell in die Position des Fahrers begibt und in schwierigen Situationen die Kontrolle übernimmt. Auch das Carsharing könnte auf diese Weise bequemer werden: Wenn wir ein Fahrzeug anfordern, würde es ein Teleoperator bis vor unsere Haustür fahren, wo wir dann selbst die Steuerung übernehmen könnten. An unserem Ziel angekommen, bräuchten wir uns keine Gedanken um einen Parkplatz machen, weil das Auto direkt zum nächsten Einsatz weiterfährt. Die benötigte Anzahl an Autos ließe sich damit erheblich reduzieren und Konflikte um Parkraum würden sich von selbst lösen.
„Wie solche Technologien akzeptiert werden, muss die Zukunft zeigen“, sagt Wietfeld. „6G wird eine Plattform bieten, die die Entwicklung neuer Konzepte und neuer Geräte ermöglicht. Unser Ziel ist es, diese Plattform stabil und verlässlich zu gestalten.“
Text: Elena Bernard
Zur Person:
Prof. Dr. Christian Wietfeld hat an der RWTH Aachen Elektrotechnik studiert und dort 1997 seine Promotion mit Auszeichnung abgeschlossen. Darauf folgten verschiedene Stationen in der Industrie, wo er unter anderem maßgeblich an der Einführung erster mobiler Internetdienste beteiligt war. Seit 2005 leitet er den Lehrstuhl für Kommunikationsnetze an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Dortmund. In bislang über 50 Forschungsprojekten hat er mit seinem Team zur Entwicklung von Mobilfunknetzen sowie deren Anwendung in den Bereichen Energie, Transport, Robotik und Notfallrettung beigetragen. Aktuell liegt sein Fokus auf der Erforschung zukünftiger 6G-Netze – unter anderem seit 2021 als Standortsprecher des BMFTR-Forschungshubs 6GEM.
Dies ist ein Beitrag aus der mundo, dem Forschungsmagazin der TU Dortmund.