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Netzwerk-Trends bis 2035: Die Zukunft der vernetzten Gesellschaft

| Autor / Redakteur: Dr. Ir. Michael Peeters* / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Seit 2005 gab es im Bereich der Festnetz- und Mobilfunknetze keine großen Veränderungen. Dieser Artikel gibt einen Ausblick auf die Telekommunikations­netzwerke um 2035. Stehen wir an der Schwelle einer neuen technologischen Revolution?

Bild 1. Die ATTO-Technologie wird derzeit von imec-Forschern an der Universität Gent entwickelt und ermöglicht Verbindungen mit 100 Gb/s bei Latenzen von weniger als 10 Mikrosekunden – über kurze Distanzen.
Bild 1. Die ATTO-Technologie wird derzeit von imec-Forschern an der Universität Gent entwickelt und ermöglicht Verbindungen mit 100 Gb/s bei Latenzen von weniger als 10 Mikrosekunden – über kurze Distanzen.
(Bild: imec)

Die Welt hat sich in den letzten 30 Jahren mit atemberaubendem Tempo verändert. Ende der 80er Jahre gab es kein Internet, keine E-Mails und noch kaum Mobiltelefone. Das steht in starkem Kontrast zur heutigen Hypervernetzung unserer Gesellschaft. Eine Gesellschaft, die auf dem massiven Ausbau der Festnetz- und Mobilfunknetze in den letzten Jahrzehnten basiert. Das Interessante daran ist, dass diese (R)evolution hauptsächlich zwischen 1990 und 2005 stattfand. Und dass es in diesem Sektor seitdem keine großen Umwälzungen mehr gegeben hat.

Mit den Festnetz- und Mobilfunknetzen, die uns beinahe überall und jederzeit umgeben, haben wir Zugang zu einem breiten Bereich von Kommunikations­diensten. Wir chatten per Video mit Freunden, Kollegen oder Familienmitgliedern auf der anderen Seite der Welt. Und wir steuern (halb-)automatische Roboter (vom Staubsauger bis zum industriellen Roboter) aus der Ferne.

Doch wie müssen sich diese Netze weiterentwickeln, um den Anforderungen des Jahres 2035 gerecht zu werden? Dazu unterscheiden wir zunächst zwischen Netzwerken zur Unterstützung der Kommunikation zwischen Menschen, industriellen Applikationen und Künstlicher Intelligenz. Danach wollen wir kurz darauf eingehen, wie diese Netzwerke nach 2035 aussehen könnten.

„Menschliche Bandbreite“: 100 Mb/s

Für viele Menschen ist Breitband-Konnektivität heute eine Selbstverständlichkeit – wie der elektrische Strom. Doch Menschen, die häufig reisen und auf der Straße unterwegs sind, wissen, dass eine stabile Breitbandverbindung keineswegs selbstverständlich ist.

Deshalb ist unsere erste Hoffnung für 2035, dass wir es bis dahin endlich geschafft haben, ein umfassendes und stabiles Netz zur Unterstützung der Kommunikation zwischen den Menschen und der Mensch-Computer-Interaktion zu bauen. Ein Netzwerk, das nicht länger auf die Gigabit-Geschwindigkeiten fokussiert, die der ganze Stolz der Telekommunikationsanbieter von heute sind. Sondern eines, das wirklich unserer „menschlichen Bandbreite“ entspricht.

Denn unabhängig davon, ob wir über die Kommunikation zwischen Menschen sprechen oder über die Mensch-Computer-Interaktion: Beide sind beschränkt auf das, was unsere Sinnesorgane verarbeiten können. Forschungs­ergebnisse zeigen, dass diese dem Menschen angemessene Bandbreite etwa 100 Megabit pro Sekunde (Mb/s) entspricht. In anderen Worten: Ein Netzwerk, das eine kontinuierliche und garantierte Bandbreite von 100Mb/s für jeden Nutzer liefert, ist mehr als ausreichend für unsere sensorische Verarbeitungskapazität. Ein solches Netzwerk sollte um 2035 Realität sein.

Die Frage ist natürlich, ob wir im Jahr 2035 immer noch denselben physiologischen Sinneseinschränkungen unterliegen wie heute. Vielleicht finden wir bis dahin auch dafür einen Ausweg? Man denke an die „Neuroprobes“ (Sonden), wie sie schon heute zur Diagnose von neurologischen Erkrankungen eingesetzt werden. In Zukunft könnten wir in der Lage sein, mithilfe dieser Technologie direkte Eingangs- und Ausgangskanäle für unser Gehirn zu schaffen. Damit wäre eine drahtlose Kommunikation über in unserem Kopf implantierte Sonden möglich.

Doch nur weil wir einen direkten Eingangs- und Ausgangskanal für unser Gehirn haben, und damit zumindest teilweise unsere Sinnesorgane umgehen können, heißt das noch nicht, dass unser Bewusstsein automatisch über die Aufnahme­kapazität verfügt, um mit zusätzlichen Stimuli umzugehen. Also besteht auch in diesem Szenario keine Notwendigkeit einer Bandbreite von mehr als 100Mb/s – weder morgen noch um 2035.

Und für alle, die nicht besonders erpicht auf Implantate sind, werden sicher auch smarte Kontaktlinsen und AR-Brillen verfügbar sein, die zusätzliche Sinneseingänge bereitstellen. Doch paradoxerweise dürften gerade die AR-Brillen mehr als 100Mb/s an Bandbreite erfordern. Warum? Weil unsere Sinne nach den „richtigen“ 100Mb/s verlangen. Das zeigt die folgende Analogie: Man hört oft, dass ein Bild mehr sagt als tausend Worte. Doch genau die tausend Worte zu finden, die ein Bild perfekt beschreiben, ist sehr viel schwieriger. Dasselbe gilt für unsere Sinneswahrnehmungen: Die smarten Brillen von 2035 werden sehr viel mehr „Worte“ übertragen müssen, um uns die Daten zu liefern, die wir wirklich brauchen.

Welches Szenario auch am wahrscheinlichsten eintreffen wird: Es wird keinen Spielraum für Verbindungen haben, die des Öfteren ausfallen – wie das heute noch der Fall ist. Wir setzen also voraus, dass die Telekommunikationsindustrie weiterhin in Netzwerke (mit kleinen lokalen Zellen) investiert, die effektiv eine homogene und garantierte Bandbreite von 100Mb/s für alle Teilnehmer bieten – Netzwerke, die die „menschliche Bandbreite“ in den Mittelpunkt stellen, statt der heute üblichen (Spitzen)raten.

Flexibles Netzwerk für Industrie-4.0-Applikationen

In industriellen Umgebungen werden wir mit den Anforderungen von Industrie 4.0 konfrontiert – dank extensiver Digitalisierung mit neuen Produktionsverfahren, neuen Produkten und neuen Geschäftsmodellen.

Der Erfolg des Industrie-4.0-Konzepts hängt davon ab, in welchem Umfang wir die neuen Anforderungen und Trends flexibel erfüllen können. Eine kabelgebundene Kommunikationsumgebung, die nur schwer zu rekonfigurieren ist, läuft das Risiko, dass sie schnell obsolet wird. Doch andererseits sind drahtlose Technologien wie Wi-Fi oft (noch) nicht zuverlässig genug für Produktionsstätten mit vielen Reflexionen.

Was wir im industriellen Kontext brauchen, ist ein stabiles und zuverlässiges Netzwerk, das eine drahtlose Bandbreite von etwa 10Mb/s garantiert und alle Maschinen mit geringer Latenz verbindet. Also müssen wir auch in industriellen Umgebungen Netzwerke anstreben, die eine garantierte und homogene Abdeckung bieten, statt instabile Netzwerke einzurichten, die hohe Spitzenraten bieten.

Das wird besonders wichtig sein, wenn man davon ausgeht, dass mit AR-Brillen ausgestattete menschliche Mitarbeiter auch in den Fabriken von morgen anzutreffen sind. Technologien wie 5G, Massive MIMO (Multiple Input, Multiple Output) und Distributed Massive MIMO könnten eine wichtige Rolle spielen, um diese Zukunftsvision zur Realität zu machen.

Künstliche Intelligenz: Fokus auf Energieeffizienz

In der allgemeinen Erwartung wird um 2035 die Künstliche Intelligenz (artificial intelligence, AI) unser Leben wesentlich leichter machen und uns dabei helfen, in allen Aspekten unseres Lebens bessere Entscheidungen zu treffen. Doch wie können wir sicherstellen, dass diese Vision Realität wird?

Das Geheimnis liegt vielleicht darin, die Intelligenz richtig zu „verteilen“. Wenn wir AI in einer effektiven Art und Weise einführen wollen, ist die Konzentration der gesamten Intelligenz in großen zentralen Datenzentren keine angemessene Option. Und sicherlich nicht in Szenarien mit selbstfahrenden Autos, wenn Echtzeit-Entscheidungen getroffen werden müssen, oder die rasche Antizipation von Ereignissen notwendig ist. Andererseits kann man die Intelligenz nicht in die Komponenten (Sensoren, etc.) selbst verlegen, vor allem wegen ihrer begrenzten Batterie- und Speicherkapazitäten. Deshalb wird die Intelligenz an der so genannten Edge des Netzwerks platziert werden müssen.

Doch auch wenn die Platzierung der Intelligenz an der Netzwerk-Edge sicherstellt, dass keine übermäßig großen Datenströme über das Netzwerk fließen (was große Energiebeträge und Bandbreiten erfordern würde), müssen wir die Energieeffizienz unserer Netzwerke laufend erhöhen – und zwar um den Faktor 10 bis 100, um nachhaltige AI-Anwendungen zu ermöglichen. Wir können das bewerkstelligen, indem wir das Design der Schaltungen und die Technologien optimieren. Aber auch, indem wir bessere Kompressionsverfahren entwickeln.

Werden die Menschen und ihre Umgebung ein integraler Teil zukünftiger Telekommunikationsnetze?

Was den drei Netzwerken, die wir soeben beschrieben haben, um 2035 gemeinsam sein wird, ist die Tatsache, dass sie nicht länger durch Messgrößen wie ihre maximale Kapazität und ihren Spitzendurchsatz bewertet werden können. Viel wichtiger wird ihre Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und garantierte Bandbreite sein.

Die einzige Ausnahme (wahrscheinlich aber erst nach 2035) dürften die Netzwerke sein, die echte immersive Applikationen unterstützen müssen, wie holografische Displays und Virtuelle Realität. Diese Anwendungen erfordern ein Netzwerk, das aus sehr kleinen Zellen besteht, die Dutzende von Gigabit pro Sekunde (Gb/s) über Entfernungen von einigen Metern auf extrem energieeffiziente Weise übertragen können. Ein Beispiel ist die ATTO-Technologie (Bild 1).

Wie lässt sich eine solche Welt in der Langzeitperspektive gestalten, wenn wir gründlich über die Zukunft (auch über 2035 hinaus) nachdenken? Wie können wir alle diese Funkzellen einrichten und verwalten? Einige Länder und Regionen verlegen heute Glasfasernetze zu diesem Zweck. Doch wie kann man ein weltweites Glasfasernetz einrichten – auch dort, wo es bereits außerordentlich teuer und schwierig ist, Kabelstrecken zu installieren?

Vielleicht kommt uns die Natur zu Hilfe. Vielleicht könnten wir – etwa durch genetische Manipulation – hybride Pflanzen und Buschwerke entwickeln, die mit integrierten Antennen ausgestattet sind? Und könnten, auf längere Sicht, eventuell Baumwurzeln integrierte Glasfaserkabel enthalten, die sich organisch ihren Weg durch die Erde bahnen?

Bild 2: Vor zehn Jahren unternahmen Forscher bei Bell Laboratories und Lucent Technologies den Versuch, einen Tiefseeschwamm zu entwickeln, der sich zu einem Glasfaserkabel zur Datenübertragung entwickeln sollte.
Bild 2: Vor zehn Jahren unternahmen Forscher bei Bell Laboratories und Lucent Technologies den Versuch, einen Tiefseeschwamm zu entwickeln, der sich zu einem Glasfaserkabel zur Datenübertragung entwickeln sollte.
(Bild: Copyright: J. Aizenberg / Lucent Technologies)

Als eine offene Gesellschaft müssen wir wirklich einmal ins Blaue hinein denken. Primär, weil die Telekommunikations­netze in Zukunft sogar noch wichtiger werden, als sie es heute schon sind. Außerdem ist die erwähnte Technologie datentechnisch aufgerüsteter hybrider Pflanzen keine Science Fiction. Vor zehn Jahren hatten Forscher bei den Bell Laboratories und Lucent Technologies bereits einen Versuch unternommen, einen Tiefseeschwamm zu entwickeln, der sich zu einem Glasfaserkabel auswachsen und Daten übertragen sollte (Bild 2). Damals erschien die weitere industrielle Entwicklung unmöglich. Doch die tragende Idee erscheint immer noch interessant.

Einschub: Konnektivität gegen persönliche Informationen?

Die Verfügbarkeit zuverlässiger Konnektivität klingt wirklich fantastisch. Doch es könnte auch so kommen, dass dabei eine Polarisierung zwischen denen entsteht, die Zugriff darauf haben, und anderen, die leer ausgehen. In anderen Worten: Es ist durchaus möglich, dass es um 2035 Weltregionen geben wird, wo ausgezeichnete (teure?) Konnektivität verfügbar ist, und andere Gegenden, wo es keine Konnektivität gibt. Oder wo sich die Menschen die gute Konnektivität nicht leisten können. Führt uns dies in eine Zukunft, in der große Handelsketten und Service-Provider die Konnektivität im Gegenzug für persönliche Daten bieten? Möglicherweise.

Die Gefahr dabei? Drahtlose Gehirn-Schnittstellen oder smarte Kontaktlinsen werden gesponsert im Gegenzug für Konnektivität. Die „Sponsoren“ können somit alles sehen und alles fühlen, was ihre Abonnenten sehen und fühlen – und sie können entsprechend agieren und reagieren. Das könnte zur Folge haben, dass eine soziale Klasse entsteht, die von den kommerziellen Interessen der Sponsoren kontrolliert wird. Während eine reichere Klasse, die für ihre neutrale Konnektivität zahlen kann, ihr unabhängiges Denken bewahrt. Ein Alptraum-Szenario? Möglicherweise. Obwohl wir uns andererseits fragen müssen, wie weit dies heute nicht schon eine Realität ist. Andererseits lädt uns dieses Szenario dazu ein, genauer über die soziale Auswirkung von Technologien nachzudenken…

Wie trägt imec zu dieser Zukunft bei?

Über Dekaden hinweg haben imec-Forscher extensiv zur Entwicklung von Technologien beigetragen, die als Grundlage für die Festnetz- und Mobilfunknetze der Zukunft gelten.

Auf dem Feld der drahtlosen Kommunikation entwickeln wir unter anderem Kommunikationslösungen für Wi-Fi, LTE, 5G und IoT. Unser Fokus liegt auf kompakten, energie-effizienten Netzwerk-Komponenten mit hohem Durchsatz. Wir verfügen außerdem über große Expertise auf Gebieten wie der Planung von Mobilfunksystemen, der Netzwerk-Modellierung, MIMO, Tracking/Lokalisierung, drahtloser Body Area Netzwerke und die physiologischen Auswirkungen elektromagnetischer Strahlung. Weitere wichtige Forschungsgebiete sind: die Entwicklung intelligenter Lösungen zur Optimierung drahtloser Netze, Forschung über flexible Software- und Hardware-Architekturen und die (Re)Konfigurierung und (Re)Programmierung drahtloser Geräte.

Im Festnetz-Bereich zeigen sich mit dem starken Wachstum der Daten(nutzung) die Grenzen der gegenwärtigen Internet-Infrastruktur. Imecs Forschung über neue Paradigmen – wie Silicon Photonics, Netzwerk-Virtualisierung und SDNs – ist kritisch zur Erweiterung dieser Grenzen.

Originalveröffentlichung im imec Magazine Januar 2019 unter dem Titel: Will people and their habitats become an integral part of tomorrow’s communication networks?

* Dr. Ir. Michael Peeters ist Programmdirektor für Connectivity & Humanized Technology bei imec.

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