VDE-Positionspapier 6G: Funk-Kommunikation und -Sensorik nutzen einen Kanal

Mit 5G steht ein Kommunikationsnetz bereit, über das sich reale und virtuelle Objekte fernsteuern lassen. Um die breite Masse an Anwendungen zu ermöglichen, folgt 6G. Dabei nutzen Funk-Kommunikation und Sensorik einen Kanal.

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Autonomes Fahren mit 6G: Damit Fahrzeuge ihre Umgebung wahrnehmen und mit ihr interagieren können, muss sowohl die Kommunikation als auch die Sensorik über ein Mobilfunksignal erfolgen.
Autonomes Fahren mit 6G: Damit Fahrzeuge ihre Umgebung wahrnehmen und mit ihr interagieren können, muss sowohl die Kommunikation als auch die Sensorik über ein Mobilfunksignal erfolgen.
(Bild: MAGROUND GmbH)

Der Mobilfunkstandard 5G ist die Basis dafür, dass zum ersten Mal reale und virtuelle Objekte über ein Kommunikationsnetz einzeln, in interaktiven Verbänden, oder im Schwarm ferngesteuert werden. Aktuell nutzen vor allem Firmen die Möglichkeiten von 5G mit sogenannten Campusnetzen. Das ist im Vergleich zu 3G und später 4G (LTE) und dem mobilen Internet eine erhebliche Entwicklung.

Bei 5G und den Campus-Netzen geht es um professionelle Anwendungen. Mit In der nächsten Stufe 6G sollen die professionellen Funktionen aus 5G für die breite Masse ausgerollt werden. Die Fernsteuerung beispielsweise von Fahrzeugen im Stadtverkehr.

Immenser Datenfluss und Abbildung der Umgebung

Damit Szenarien wie autonomes Fahren im Stadtverkehr oder ein Assistenzroboter in der Pflege, der mit seiner Umgebung interagieren kann, möglich werden, müssen die Teilnehmer in der Lage sein, ihre Umgebung räumlich zu erfassen. Zudem müssen sie miteinander kommunizieren können. Kommunikation und Sensorik erfolgen per Mobilfunk. Doch warum ist das wichtig? Die heute verwendeten Radarspektren reichen nicht aus. Auch deswegen, weil die Anzahl der beteiligten Komponenten stetig zunehmen.

Jedes Radargerät muss sehr präzise seine Umgebung erfassen. Störende Interferenzen müssen vermieden werden. Nach heutigem Stand der Technik kann ein Radargerät nicht mit andern Radargeräten in der Nähe in Kontakt treten, was derzeit durch massiven Frequenzbedarf ausgeglichen wird. Für die Umsetzung diskutieren Experten verschiedene Techniken. Dazu gehört ISAC (Integrated Sensing & Communication). Diese Technik setzt auf eine eigene Infrastruktur für Mobilfunk und Sensorik. Daneben ist JC & S (Joint Communication & Sensing) darauf ausgelegt, das Funksignal des Mobilfunknetzes nicht nur zur Kommunikation zu nutzen, sondern auch für Sensorik-Funktionen wie Radar oder Spektroskopie.

Gemeinsame Funk-Kommunikation und -Sensorik

Ein klares Bekenntnis für eine gemeinsame Nutzung von Funk-Kommunikation und Funk-Sensorik bezieht der VDE in seinem neuen Positionspapier „Joint Communications & Sensing“. „Ob es um Car2Car-Kommunikation und Verkehrssicherheit in der Automobilindustrie geht oder um die präzise Lokalisierung unbemannter Transporteinheiten in der Logistik: Wir brauchen eine effiziente, zuverlässige Lösung, und mit JC & S steht sie zur Verfügung“, erklärt Prof. Dr. Hans Dieter Schotten, Mitglied des Präsidiums des Verbands der Elektrotechnik (VDE) und Wissenschaftlicher Direktor des Forschungsbereichs Intelligente Netze am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI).

Mobilfunksignal transportiert Sensorfunktionen

Der Clou an Joint Communications & Sensing ist, dass die ohnehin von Basisstationen oder Mobilfunkterminals ausgesendeten Signale genutzt werden. Prof. Dr. Gerhard Fettweis erklärt: „Fügen wir eine minimale Pause ein, wenn ein Funksignal von A nach B übermittelt wird, so lässt sich über das entstehende Echo ein Radarbild erstellen. Das ist nur mit 6G möglich, wobei erste Realisierungen zeigen, dass die Herangehensweise funktioniert.“

Auch lassen sich Sensorsignalpakete für Radarfunktionen in Datensignale integrieren, wodurch das Mobilfunksignal die Sensorfunktion quasi mit transportiert. Hervorzuheben ist, dass JC & S sehr ressourcenschonend arbeitet: Vorhandene Infrastruktur kommt zum Einsatz, und durch die Mitnutzung der Funksignale sind nur sehr wenig Frequenzspektren notwendig. Auch mit Blick auf die Hardware hat das Vorteile: Werden Kommunikation und Sensing auf einer gemeinsamen Hardware-Plattform zusammengelegt, lassen sich vorhandene Infrastrukturen ressourcenschonend nutzen.

Von Voll-Duplex-Betrieb bis Ad-hoc-Netzwerk

Um Joint Communication & Sensing zu realisieren, gibt es verschiedene denkbare Architekturen. Im Fall eines Voll-Duplex-Betriebs arbeitet eine Basisstation als Stand-Alone-Array und braucht ein zusätzliches Antennen-Array. Für Radar und Kommunikation werden orthogonale Wellenformen genutzt, die dieselbe physikalische Funkschnittstelle verwenden und im Frequenz-, Zeit- oder Codebereich ein Multiplexing durchlaufen.

Geht man auf einen Halbduplex-Betrieb, so wird kein separates Antennen-Array benötigt. Die Basisstation sendet Kommunikationsdaten an das mobile Endgerät, das als mobiler Sensor agiert. Das Signal wird also doppelt verwendet, für die Datenkommunikation und das Sensing. Räumlich verteilte Endgeräte und Basisstationen ergeben so ein verteiltes Netz an Radarsensoren, was zu seiner sehr hohen Zielerfassungswahrscheinlichkeit führen kann. Bei einem Ad-hoc-Netzwerk wird ein Signal von einem Knoten zum nächsten übertragen und vom Ziel zurückgestreut, wodurch ein monostatisches Radar entsteht.

Kombiniertes Radar- und Kommunikationssystem

Funkwellen dienen der Kommunikation und mit ihnen lässt sich die Umgebung erfassen. Beispielsweise bei der Objekterkennung mit Radarsystemen. Bisher betrachtete man Kommunikation und Radar getrennt. Jedoch beruhen beide auf dem gleichen physikalischen Prinzip. Deshalb kann man die selben Geräte, Spektren und Signale für beide Zwecke verwenden.

Das selbe Signal, um Informationen von A nach B zu übertragen, wird auch von Objekten in der Umgebung reflektiert. Die Reflexionen können am Ort A beobachtet und verarbeitet werden, um die Position und Geschwindigkeit dieser Objekte zu bestimmen.

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