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Was ändert 6G?

Fünf Merkmale für eine kommende Disruption

6G zerbricht Scheibe
Die sechste Mobilfunkgeneration hat Potenzial disruptive Veränderungen auszulösen.
© SmirkDingo – shutterstock.com

Die fünfte Mobilfunkgeneration, mit Enhanced Mobile Broadband (eMBB), massive Machine Type Communication (mMTC) und uRLLC (ultra-reliable and Low Latency Communication), bedeutet bereits einen deutlichen Fortschritt. Die sechste Generation jedoch, wird sich disruptiv auswirken.

Die Telekommunikationsbranche ist ständig auf der Suche nach innovativen Techniken, die die wachsende Nachfrage nach mobil verfügbarer Datenübertragungsrate befriedigen können – eine Nachfrage, die sich etwa alle zwei Jahre verdoppelt.   

So wurden in den letzten zwei Jahrzehnten drei Generationen von Mobilfunknetzen eingeführt: beginnend mit dem Start von 3G (UMTS) im Jahr 2001, über die kommerzielle Einführung von 4G (LTE) im Jahr 2009 und schließlich die Installation der ersten 5G-Netze heute. Parallel dazu haben auch andere Varianten der mobilen Kommunikation, z.B. Wi-Fi, ihren Platz eingenommen.  

Relevante Anbieter

Prognose zur Zunahme des Datenverkehrs durch 5G.
Bild 1. Die globale mobile Datenübertragung – in Exabyte/Monat – wird mit der Verfügbarkeit von 5G-Netzen stark wachsen – so die Prognose des Ericsson Mobility Report vom November 2020.
© Ericsson

Doch trotz all dieser neuen Entwicklungen und der zunehmenden Anzahl an mobilen Kommunikationstechniken bleibt der Hunger nach mehr Daten und höherer Datenrate unstillbar (Bild 1). Deshalb hat die Branche begonnen, sich auf den nächsten Schritt vorzubereiten, nämlich die Einführung der sechsten Generation von Mobilfunknetzen (6G).   

Zugegeben, es ist noch früh: Die internationalen 6G-Standards sind noch in der Entwicklung. Aber eines ist klar: 6G wird seine Vorgänger weit hinter sich lassen, vor allem bei Geschwindigkeit und Latenzzeiten. Dies wird an fünf Merkmalen deutlich, die sich schon jetzt abzeichnen.

1. 100 Gigabit pro Sekunde

Datenstrom
Bild 2. In einer Sekunde zehnmal soviel Daten wie 5G.
© IMEC

Für die meisten Menschen sind Mobilfunknetze dazu da, um unterwegs Filme und Serien zu schauen oder große Dateien schnell herunterzuladen – wann und wo auch immer. Was sie wollen, ist Datenrate.

Ist dies eine Überraschung? Nicht wirklich. Seit mehr als zwei Jahrzehnten ist Datenrate – beworben als »Bandbreite« oder »Geschwindigkeit« – das Verkaufsargument, mit dem Telekommunikationsanbieter versuchen, Kunden zu gewinnen.

Tatsache ist, dass wir immer mehr – und immer größere – (Video-)Dateien über das Internet austauschen. Statistiken zeigen zum Beispiel, dass Menschen jeden Tag mehr als eine Milliarde Stunden YouTube-Videos ansehen. Und drei Viertel der YouTube-Nutzer greifen über ein mobiles Gerät auf die Plattform zu.

Entscheidend für die Nutzer ist, dass sie jederzeit und überall auf diese Videodateien zugreifen können – und dass sie die Videos in der höchstmöglichen Auflösung ansehen können. Hier kommt das »mobile Breitband« ins Spiel. 

6G-Netzwerke werden diesen Trend weiter vorantreiben, mit einer prognostizierten Download-Datenrate von nicht weniger als 100 Gbit/s. Das ist zehnmal mehr als die (theoretische) Download-Datenrate eines 5G-Netzwerks und 300-mal mehr als die Download-Datenrate, die modernste 4G-Netzwerke heute bieten.

2. Frequenzen von 100 GHz – und höher

Hohe Bandbreite erfordert höhere Funkfrequenzen.
Bild 3. Mit 6G soll der Frequenzbereich oberhalb 100 GHz genutzt werden, um die benötigte Bandbreite zu erzielen.
© IMEC

Je höher die Frequenz, desto mehr verfügbare Bandbreite. Um höhere Bandbreiten zu erreichen, müssen wir also höhere Funkfrequenzen nutzen.

Zum Beispiel sind 4G-Netzwerke auf Frequenzen bis 2,5 GHz beschränkt, wogegen 5G-Netzwerke auch in den Bändern 28 und 39 GHz arbeiten. Und die nächsten Mobilfunknetz-Generationen einschließlich 6G werden voraussichtlich mit Frequenzen über 100 GHz arbeiten.

3. Eine Latenzzeit von nur wenigen Mikrosekunden

Eckstoß aufs Tor
Bild 4. Kein Fußballfan will den Torschuss auf seinem Smartphone mit zeitlicher Verzögerung sehen, wenn seine Nachbarn bereits jubeln.
© IMEC

Das Erlebnis mobiler Internetnutzung hängt von mehr ab als von der Datenmenge, die Nutzer schnell herunterladen können. Für viele Anwendungen ist die Latenzzeit des Netzwerks ein ebenso wichtiger Faktor.

Beim Ansehen von Live-Fernsehübertragungen zum Beispiel, kann die Latenz über die Kundenzufriedenheit entscheiden. Schließlich will niemand den entscheidenden Moment eines Elfmeters beim Finale der Fußballweltmeisterschaft später sehen als seine Nachbarn.

Zugegeben, die Einführung von 5G-Netzen und deren Latenz von weniger als 1 ms sollte solchen Problemen bereits ein Ende setzen. Doch 6G verspricht eine noch kürzere Latenz von nur wenigen µs.

Eine solch niedrige Signalverzögerung wird vor allem für die wachsende Zahl von IoT-Anwendungen notwendig sein, beispielsweise geschlossene Regelkreise, die Maschinen und komplexe industrielle Prozesse auf Basis von Echtzeit-Sensordaten selbstständig steuern, oder zeitkritische medizinische IoT-Anwendungen, wie die Auswertung und Interpretation von Elektrokardiogramm (EKG)- oder Elektroenzephalogramm (EEG)-Signalen.

4. Zehn Millionen vernetzte Geräte pro km²

Engmaschiges Netzwerk mit Millionen Endgeräten.
Bild 5. Mehr Maschinen als Menschen werden 6G nutzen: Bis zu 10 Millionen Endgeräte pro km2 sollen künftig per 6G kommunizieren können.
© IMEC

Die Leistungsfähigkeit des IoT wird durch die Anzahl der angeschlossenen Sensoren und Geräte bestimmt. Auch hier wird ein enormes Wachstum prognostiziert. Das Marktforschungsunternehmen Statista prognostiziert, dass das Internet der Dinge bis 2025 aus fast 31 Milliarden Geräten bestehen wird, verglichen mit 12 bis 13 Milliarden Geräten heute. Mit dieser ständig wachsenden Anzahl von Geräten kommt die Herausforderung, möglichst viele davon pro km² mit dem Internet zu verbinden. Diese Zahl wird als Verbindungsdichte bezeichnet.

Heutige 4G-Netze erreichen eine Verbindungsdichte von etwa 100.000 Geräten pro km². 5G ist da schon deutlich besser und ermöglicht den Anschluss von 1 Million Geräten pro km². Und mit der Einführung von 6G-Netzen rücken 10 Millionen verbundener Geräte pro km² in greifbare Nähe.

Wichtig ist, dass bei der Umstellung auf 6G die Anschlussdichte eines Netzes eher in km³ ausgedrückt werden sollte. Schließlich wird eine dritte Dimension – die Höhe – mit zunehmender Anzahl eingesetzter Drohnen immer wichtiger werden. Auch sie werden ein wesentlicher Bestandteil des Internets der Dinge von Morgen sein.

5. Ein Energiebedarf von weniger als 1 nJ/bit 

Kühlung an einem Hochspannungstransformator
Bild 6. Der wachsende Datenverkehr in 6G-Netzen darf nicht den Energiebedarf für den Netzbetrieb in die Höhe treiben.
© IMEC

Wie diskutiert, werden 6G-Netze auf höhere Funkfrequenzen zurückgreifen müssen, um den Bedarf an höheren Bandbreiten zu unterstützen. Eines der Probleme ist jedoch, dass die zugrunde liegende Halbleitertechnik noch nicht in der Lage ist, in diesen Frequenzbändern energieeffizient zu arbeiten, wo doch Energieeffizienz eine der größten Herausforderungen der Telekommunikationsbranche ist.

Das Telekommunikationsunternehmen Ericsson hat in einem kürzlich veröffentlichten Bericht festgestellt, dass der Energiebedarf von Mobilfunknetzen in der Tat dramatisch ansteigen wird – was sich negativ auf die Umwelt und die Gesamtkosten für die Bereitstellung der Netze auswirkt.

Auch hier ist die Telekommunikationsindustrie nicht untätig. Laut dem Telekommunikationsbetreiber Orange könnte die Einführung neuer Techniken und Software die Energieaufnahme von 5G-Netzen bis 2025 um den Faktor zehn – pro transportiertem Gigabit – senken, im Vergleich zu 4G. Und bis 2030 könnte daraus sogar ein Faktor 20 werden.

Die heutigen Anstrengungen zur Steigerung der Energieeffizienz von Mobilfunknetzen laufen immer Gefahr, durch die extrem wachsenden Datenmengen, die transportiert werden müssen, zunichte gemacht zu werden. Ein ähnlicher Kampf tobt seit Jahren in Rechenzentren – mit Glasfaserverbindungen, die möglichst viele Daten bei hoher Energieeffizienz transportieren müssen. In Testaufbauten laufen Glasfasern heute mit mehreren hundert fJ/bit.  

Es ist klar, dass die Techniken für Funknetzwerke noch einen weiten Weg vor sich haben. 6G-Netze müssen in puncto Energieeffizienz viel besser sein als ihre Vorgänger. Deshalb haben sich die Forscher das Ziel gesetzt, den Energieeinsatz von 6G auf weniger als 1 nJ/bit zu senken.

Dabei setzen die Forscher große Hoffnungen auf neue III-V-Materialien, wie Indiumphosphid (InP), auch wenn sich diese noch nicht auf einem Silizium-Wafer integrieren lassen. Daher beschäftigt sich die Forschungsgemeinschaft gezielt mit hybriden III-V/CMOS-Ansätzen und untersucht, wie sich III-V-Materialien mit der CMOS-Technik heterogen kombinieren lassen, wie es um die Zuverlässigkeit dieser Materialien bestellt ist, welche Degradationsmechanismen im Spiel sind usw. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen zielen die Forscher darauf ab, eine Technik für mobile Geräte zu schaffen, die effizient und kostengünstig bei 100 GHz und darüber hinaus arbeitet.

 

 

Der Autor

Dr. Michael Peeters, VP der F&E für Konnektivität beim IMEC
Dr. Michael Peeters, VP der F&E für Konnektivität beim IMEC
© IMEC

Dr. Michael Peeters

ist VP der F&E für Konnektivität beim IMEC (Interuniversity Microelectronics Centre). Seine früheren Erfahrungen als CTO für die Wireline- und Wireless-Geschäftsbereiche bei Nokia basieren auf der Kultur, dem Enthusiasmus und der Liebe zu Technik und Wissenschaft, die er während seiner Zeit bei den Bell Labs erworben hat – und auf den Prinzipien der freien Forschung, die ihm von seiner Alma Mater, der Vrije Universiteit Brussel (VUB), vermittelt wurden.

Während seiner Forschungskarriere, die mit einem Doktortitel in Angewandter Physik und Photonik an der Vrije Universiteit Brussel begann, hat er mehr als 100 begutachtete Publikationen und viele White Papers verfasst.  Dr. Peeters hält Patente in den Bereichen Access und Photonik, er ist ausgebildeter Elektrotechniker, Senior-Mitglied des IEEE und ein Fellow der VUB.

michael.peeters@imec.be


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