Leitprojekt 6G Mit gemeinsamer Terahertz-Kompetenz flexible 6G-Netze entwickeln

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

In einem Leitprojekt zum Thema 6G wollen Fraunhofer-Forscher Funkkanalmodelle und Link-Level-Simulatoren für Frequenzen zwischen 100 und 300 GHz entwickeln. Für die Abdeckung sollen Satelliten sorgen.

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Leitprojekt: Fraunhofer-Forscher arbeiten an Schlüsseltechniken wie Terahertz-Frquenzen, um flexible 6G-Netze zu bauen.
Leitprojekt: Fraunhofer-Forscher arbeiten an Schlüsseltechniken wie Terahertz-Frquenzen, um flexible 6G-Netze zu bauen.
(Bild: Gerd Altmann / Pixabay )

Obwohl mit 5G die aktuellste Mobilfunk- und Kommunikationsgeneration gerade am Markt angekommen ist, gehen die Überlegungen und Entwicklungen bereits weiter. So hatte beispielsweise der Fraunhofer-Forscher Dr. Ivan Ndip kürzlich in einem Interview gesagt, dass „6G die Erwartungen erfüllen soll, die 5G geweckt hat.“

Mit Jahresbeginn 2021 startete die Fraunhofer-Gesellschaft mit dem Projekt 6G SENTINEL. Mit dem Leitprojekt wollen die Forscher Schlüsseltechnologien für den kommenden Mobilfunkstandard 6G entwickeln. In das Projekt involviert sind fünf Institute, die unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS ihre Kompetenzen bündeln. Dabei im Fokus die Terahertz-Technologien und daraus abgeleitete Anwendungen für flexible Netze.

Den Standort Deutschland stärken

Mit 6G erhoffen sich die Wissenschaftler eine höhere Leistungsfähigkeit in puncto Spitzendurchsatz und Anwenderdatenrate, Zuverlässigkeit und Latenz sowie Energieeffizienz und Lokalisierungsgenauigkeit. Insgesamt wird diese Leistungssteigerung bei 6G mit einer sehr viel höheren Verbindungsdichte einhergehen.

„Für den zukünftigen 6G-Mobilfunk sind neue Techniken gefragt, die das Fraunhofer-Projektteam im Leitprojekt entwickelt. Unsere 6G-Basistechnologien sollen helfen, die Wettbewerbsfähigkeit des Standorts Deutschland in einem Schlüsselmarkt der Digitalisierung zu stärken“, sagt Prof. Dr. Albert Heuberger, geschäftsführender Institutsleiter des Fraunhofer IIS.

Modelle und Simulatoren für 100 bis 300 GHz

Für 6G sollen bestehende Mobilfunktechnologien weiterentwickelt werden und dabei völlig neue Möglichkeiten eröffnen. Hier liegt der Schwerpunkt auf den Einsatz von Terahertz-Frequenzen ab 100 GHz. Sie erlauben extrem hohe Datendurchsätze, die für Anwendungen wie Virtual Reality, digitale Zwillinge, Teleoperation und autonomes Fahren nötig sind.

Damit Mobilfunk in den Terahertz-Frequenzen möglich wird, entwickeln die Forscher Funkkanalmodelle und Link-Level-Simulatoren für Frequenzen zwischen 100 und 300 GHz. Darauf aufbauend soll der Prototyp eines hochintegrierten Terahertz-Sendemoduls entstehen, das zusammen mit einem ebenfalls zu entwickelnden Übertragungsverfahren zur Demonstration mobiler THz-Verbindungen geeignet ist.

Die zweite wichtige Säule des Projekts ist Software, mit der die Netze entsprechend der Anwendung und aktuellen Betriebssituation flexibler werden soll. Grundlegend ist ein modulares und softwarebasiertes Kernnetz, das um sichere und vertrauenswürdige Komponenten zur dynamischen Steuerung erweitert wird, die Integration neuartiger Zugangs- und Backhaulnetze ermöglicht und eine KI-basierte Netzautomatisierung unterstützt. Ziel ist es, eine anpassungsfähige Architektur für heterogene 6G-Netze zu entwickeln und zu demonstrieren. In dieser Architektur spielen neben THz-Technologien insbesondere Satelliten und fliegende Plattformen eine entscheidende Rolle.

Lokalisierung und 6G-Architektur als Querschnittsthemen

„Neben der Terahertz-Kommunikation und den flexiblen Netzen wollen wir eine 6G-Netz-Architektur erarbeiten und Techniken für eine noch präzisere Lokalisierung in 6G-Netzen entwickeln“, erläutert Bernhard Niemann, Projektleiter von 6G SENTINEL.

Die exakte Lokalisierung wird in 6G deshalb von übergreifender Bedeutung sein, da neue Lokalisierungsansätze Informationen über den Funkkanal immer konsequenter nutzen können, um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu verbessern. Im Projekt werden dafür Konzepte und Algorithmen erprobt, funktional in das Kernnetz integriert und zu vollintegrierten Lokalisierungslösungen für den THz-Bereich weiterentwickelt.

Das Projektkonsortium plant die im Projekt entwickelten Techniken in einer kohärenten Architektur zusammenzuführen, die als Grundlage für den flexiblen Aufbau eines umfassenden 6G-Systems dienen kann. Um höhere Übertragungsraten zu erzielen, wird das insgesamt gekennzeichnet sein durch kleinste Zellen, die Nutzung von THz-Frequenzen sowie den Einsatz von Antennen mit integrierten Strahlungsformungssystemen (Massive MIMO).

Gleichzeitig ist eine großflächige Abdeckung mit mobilem Internet gefragt. Deshalb sollen im Projekt 6G SENTINEL Satelliten und andere nicht erdgebundene Basisstationen mit einbezogen werden.

Hintergrund: Interview mit Bernhard Niemann

(Bild: Fraunhofer IIS/Karoline Glasow)

Mit dem Leitprojekt 6G SENTINEL wollen Fraunhofer-Forscher Schlüsseltechnologien für den künftigen Mobilfunkstandard 6G entwickeln. Dazu arbeiten verschiedene Fraunhofer-Institute eng zusammen.

Im Interview gibt Bernhard Niemann, Projektleiter von 6G SENTINEL und Abteilungsleiter „Breitband und Rundfunk“ am Fraunhofer IIS in Nürnberg, weitere Details zum Projekt.

Herr Niemann, ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den Terahertz-Frequenzen. Können Sie bitte erläutern, weshalb diese Frequenzen für 6G so interessant sind?

Terahertz-Technologie wird benötigt für die Steigerung des Durchsatzes, für die Kommunikation zwischen Endgeräten über kurze Reichweiten, für hohe Zuverlässigkeit in kritischen Anwendungen, für eine Erhöhung der Endgerätedichte sowie eine Erhöhung der Lokalisierungs- und Sensing-Genauigkeit (wie Oberflächen-, Gestenerkennung). Wesentliche Eigenschaften dieser hohen Frequenzen sind eine große zur Verfügung stehende Frequenzbandbreite, eine geringe Reichweite sowie die Möglichkeit Antennenarray mit sehr kleinem Formfaktor zu entwickeln und damit eine hohe Richtwirkung und punktgenaue Abstrahlcharakteristik zu erzielen. Hierdurch kommt es zu einer Konvergenz von Kommunikation, Radar, Sensing und Lokalisierungsanwendungen.

Wieso benötigen Anwendungen wie VR oder autonomes Fahren derart hohe Datenraten?

Wenn man insbesondere an VR-Anwendungen mit 4K-Auflösung und mehr oder holographische AR/VR-Anwendungen denkt, sind immense Datenraten erforderlich. Dies umso mehr, als für sicherheitsrelevante Applikationen häufig unkomprimierte Bilder gefordert sind. Beim autonomen oder auch automatisierten Fahren ergibt sich der Bedarf nach sehr hohen Datenraten beispielsweise bei Echtzeit-3D-Kartenupdates, dem Austausch von Sensordaten oder dem Wunsch nach einer See-Through-Funktionalität beim Konvoi-Fahren.

Was genau verbirgt sich hinter den Funkkanalmodellen und den Link-Level-Simulatoren?

Die genaue Kenntnis über Signalstörungen auf dem Weg vom Sender zum Empfänger (Übertragungskanal) sowie Verschlechterungen des Sende- oder Empfangssignals im Sender bzw. Empfänger ist unerlässlich, damit ein Funksystem zuverlässig funktioniert. Bei THz-Systemen sind vor allem die extrem starke Freiraumdämpfung und Effekte durch die notwendige starke Richtwirkung der Antennen sowie Hardwarebeeinträchtigungen bei Sender und Empfänger relevant.

Bei mobilen Systemen kommen zusätzliche Effekte durch Reflexionen und die Bewegung hinzu. Diese Effekte sind jenseits von 100 GHz grundlegend anders als bei den aus 5G bekannten Millimeterwellen. Daher ist eine Vermessung und Modellierung (Simulation) der Funkkanäle und der Hardwarekomponenten im THz-Bereich notwendig.

Können Sie bitte das Terahertz-Sendemodul etwas genauer erklären?

Frequenzen jenseits von 100 GHz stellen die Entwickler von Sender- und Empfängermodulen vor eine ganze Reihe von technologischen Herausforderungen. Dazu gehören beispielsweise die noch sehr hohen Kosten für die aktuellen Module, geringe Ausgangsleistung oder auch hardware-bedingte Nichtlinearitäten und sehr hohes Phasenrauschen. Vielversprechende Ansätze sind die Nutzung von Verbindungshalbleitern, photonische Frontends und Module mit integrierten Antennen; diese werden im Projekt erforscht und demonstriert.

Wie sieht ein modulares und softwarebasiertes Kernnetz aus?

Das Kernnetz ist das Rückgrat eines Mobilfunknetzes, das die Gesamtheit der Sendestandorte untereinander verbindet und eine Kommunikation der Teilnehmer erst möglich macht. Flexible Netze mit veränderlicher Topologie benötigen ein dynamisch, anpassbares Kernnetz. Hierbei spielen softwarebasierte Funktionsmodule, die sich dynamisch auf verteilten Virtualisierungsplattformen instanziieren lassen, eine zentrale Rolle. Das Kernnetz besteht dann nicht mehr aus spezialisierten Geräten für bestimmte Funktionen, sondern aus Software-Modulen, die auf kommerziellen Hardware-Plattformen ausgeführt werden.

Weshalb spielen Satelliten und fliegende Plattformen eine wichtige Rolle?

Bereits bei 5G wird an der Integration von sogenannten nicht-terrestrischen Netzen (NTN) in das 5G-Netz gearbeitet. Dies soll bei 6G konsequent fortgesetzt werden. Vorteile ergeben sich vor allem durch die Flexibilisierung der Netzarchitektur. Funkmasten müssen nicht mehr statisch und mit langem Vorlauf an einem festen Ort errichtet werden. Die Netzabdeckung kann flexibel und schnell dort zur Verfügung gestellt werden, wo sie benötigt wird.

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