6G-Netz: Oppos Vision für die Zukunft der Kommunikation
Posted by Julia Werner •
Nie wieder aufladen: 6G-Mobilfunk für Zero-Energy-Geräte
Nie mehr Batteriewechsel oder Akkuladen? Ericsson und das Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben sich zusammengetan, um Techniken zur Energieaufnahme aus der Umgebung für das Internet der Dinge zu entwickeln (Internet of Things, IoT). "Energy Harvesting" gibt naturgemäß nur sehr wenig Energie her, diese Nuss haben auch schon andere Forschungsgruppen versucht zu knacken. Die Partner prägen nun mit Zero-Energy-Devices einen weiteren Begriff mit Fokus auf Mobilfunkgeräte und -netze für industrielle Anwendungen.
Für 4G- und 5G-Netze sind schon diverse Spezifikationen für genügsamen Funkbetrieb niedergeschrieben und teils auch implementiert (Massive Machine-type Communication, etwa zur Zählerfernauslesung). NarrowBand Internet of Things (NB-IoT) und LTE für Maschinen (LTE-M) sind für Datenraten von wenigen hundert Kilobit pro Sekunde ausgelegt und kommen unter optimalen Bedingungen bis zu zehn Jahre mit einer Knopfzelle aus.
Dennoch ist der Ansatz unwirtschaftlich, wenn man regelmäßig Batterien zehntausender Geräte wechseln muss. Zudem hängt die Batterielebensdauer von der Länge der Sende- und Empfangsintervalle ab: Sie sinkt erheblich, wenn ein NB-IoT- oder LTE-M-Gerät alle paar Minuten kommuniziert.
Der Netzwerkausrüster Ericsson will für den kommenden 6G-Mobilfunk Konzepte entwickeln, um Messgeräte an abgelegenen Orten ohne herkömmliche Batterie zu betreiben. (Bild: Ericsson)
Ericsson beschreibt in einem Blog-Beitrag die Herausforderungen für Zero-Energy-Geräte, die ohne Batterie auskommen sollen. Sie gewinnen die für den Betrieb erforderliche Energie aus der Umgebung – aus Vibrationen, Licht, Temperaturgradienten oder Hochfrequenzwellen, wie sie zum Beispiel TV-Sendeanlagen und Mobilfunkbasisstationen ausstrahlen. Sie sammeln sie zwar, aber zur Methode der Speicherung äußert sich Ericsson nicht.
Wo liegt die Energiegrenze?
Derartige Funkmodule könnten in Versandpaketen platziert werden, um die Lagerhaltung zu vereinfachen und zusätzlich etwa die Temperatur oder Luftfeuchtigkeit innerhalb der Verpackung zu melden. Ein weiteres Szenario sei die Überwachung von Umweltparametern an entfernten Standorten.
Bisherige Energy-Harvesting-Methoden entnehmen der Umgebung oft nur wenige Mikrowatt, was weit unter dem Bedarf heutiger sparsamer Geräte liegt. Selbst die sparsamsten Sendeempfänger benötigen Energie im Milliwatt-Bereich.
Aus dem geringen Energiepegel ergibt sich eine Obergrenze für die übertragbare Datenmenge. Zwar hängt sie stark von der Funkdistanz und den Bedingungen ab, aber meist beträgt sie nur wenige Bytes. Ein Trick, um mit dem beschränkten Energievorrat auszukommen, ist, seltener zu funken. Weil aber die Energieverfügbarkeit und die Güte des Übertragungskanals im Tages- oder Jahresverlauf schwanken, sind die Geräte prinzipiell nur sporadisch verfügbar. Deshalb seien gänzlich neue Spezifikationen der physikalischen Übertragungsschicht erforderlich.
Weitere große Herausforderungen sind die Authentifizierung und Verschlüsselung. Allein der Energiebedarf zur Verschlüsselung der Geräteidentität (IMSI) erfordert bei aktuellen NB-IoT-Geräten laut Ericsson so viel Energie, wie aktuelle Energy-Harvesting-Techniken erst innerhalb von Tagen einsammeln. Deshalb wollen Ericsson und das MIT neue, energieeffizientere Sicherheitsmechanismen entwickeln. Auch braucht es gänzlich neue Schaltkreise, die mit den niedrigen Energiemengen auskommen.
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(dz)
6G-Netze kommen: Darum sind LTE & 5G erst der Anfang
Während LTE-Netze noch häufig aus großen Sendern auf Dächern bestehen, die hunderte Meter oder gar mehrere Kilometer auseinander stehen, rücken die Sender bei 5G schon zusammen. Ist 5G einmal fertig, wird zumindest in Innenstädten alle paar hundert Meter ein Sender stehen müssen. Bei 6G wird das ganze noch krasser: Mobilfunknetze der sechsten Generation (6G) werden aus vielen kleinen Funkzellen bestehen. Diese stehen so nah beieinander, dass man sie untereinander drahtlos verbinden will – auf Frequenzen im Terahertz-Bereich.
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat dazu jetzt ein neuartiges Konzept für einfache und kostengünstige Terahertz-Empfänger entwickelt. Sie bestehen aus einer einzigen Diode, die mit einem speziellen Signalverarbeitungsverfahren kombiniert wird. Im Experiment haben die Forscher jetzt einen neuen Benchmark erreicht. Eine Datenrate von 115 Gbit/s auf einer Trägerfrequenz von 0,3 THz über eine Entfernung von 110 Metern haben sie gemessen.
Sender funken untereinander mit Gigabit-Geschwindigkeit
Was soll 6G bringen? Das Netz der Zukunft verspricht noch deutlich höhere Datenübertragungsraten, kürzere Verzögerungszeiten und eine größere Dichte an Endgeräten. Auch Künstliche Intelligenz (KI) soll eine große Rolle spielen.
„Um möglichst viele Nutzer gleichzeitig zu bedienen und dabei möglichst große Datenmengen möglichst schnell zu übertragen, müssen die drahtlosen Netze der Zukunft aus zahlreichen kleinen Funkzellen bestehen“. Das sagt Professor Christian Koos, der am KIT gemeinsam mit seinem Kollegen Professor Sebastian Randel an Technologien für 6G forscht.
Frequenzbereich liegt zwischen Mikrowellen- und Infrarotstrahlung
Der Vorteil von kleinen Funkzellen: Kurze Wege der Funkstrecken. So ließen sich große Datenraten mit minimalem Energieaufwand und geringer elektromagnetischer Immission übertragen. Zur Anbindung der einzelnen Zellen bedarf es Funkstrecken, auf denen sich hunderte von Gigabits pro Sekunde auf einem Kanal übertragen lassen. Das soll, so die Forscher, auf Frequenzen im Terahertz-Bereich möglich sein. Diese sind so hoch, dass sie im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und der Infrarotstrahlung liegen.
Bislang waren Empfänger für diese Frequenzen komplex und teurer. Mit einer neuen Entwicklung soll es den Forschern nun aber gelungen sein, einen besonders einfachen und kostengünstig herzustellenden Empfänger für Terahertz-Signale zur entwerfen. Als Empfänger diene eine einzige Diode. Die erreichte Datenrate von 115 Gbit/s sei die höchste Datenrate, die bis jetzt mit drahtloser Terahertz-Übertragung über mehr als 100 Meter demonstriert wurde.
6G-Netz: Oppos Vision für die Zukunft der Kommunikation
Besonders im Fokus: die künstliche Intelligenz
Während der 5G-Standard momentan mit Hochdruck in Deutschland ausgebaut wird, spricht OPPO bereits über dessen Nachfolger: 6G. Der Telekommunikationsausstatter zeigt in einem ersten Whitepaper unter dem Titel „6G AI-Cube Intelligent Networking“ die ersten eigenen Visionen. Die wohl wichtigste Thematik ist hierbei die künstliche Intelligenz sowie neue Möglichkeiten, die dadurch erst entstehen.
Intelligente Geräte sollen laut dem Bericht die Möglichkeit erlangen, KI-Algorithmen für verschiedenste Anwendungsebenen herunterzuladen und diese anschließend einzusetzen. Als erstes großes Beispiel dienen autonom fahrende Fahrzeugen, welche den passendsten Algorithmus sowie den besten Kommunikationsweg selbst aussuchen können. Die Auswahl dieser wird dabei von den Faktoren Standort sowie Tageszeit und Wetter beeinflusst. Ausgewählt wird anschließend die erfahrenste KI, welche die sicherste und komfortabelste Fahrt ermöglicht.
AI-Cube als intelligenter Würfel
Klassische Netzwerke wie etwa das 5G-Netz bestehen im Wesentlichen aus der Control Plane (CP) sowie der User Plane (UP). Die UP ist für die Netzwerkleistung zuständig während die CP den normalen Netzbetrieb gewährleistet. Dabei kann die UP mit Fahrzeugen im Stadtverkehr verglichen werden und die CP als die entsprechende Verkehrsteuerung.
OPPO fügt im 6G-Whitepaper eine weitere Dimension ein: Die AI Function Plane. Diese erweitert das Netzwerk um eine zusätzliche KI-Architektur. Dadurch sollen sowohl die Fähigkeit zu High-Level-Networking und auch die Netzwerkfunktionalität verbessert werden. Das 6G-Netzwerk soll sich dabei selbst optimieren, verwalten und Ressourcen verteilen.
Auch sollen aktuell noch geltende Einschränkungen von entsprechenden Algorithmen durch eine Aufteilung der KI-Ressourcen in Domänen aufgehoben werden. Das Paper spricht dabei von einer Aufteilung über die spezifischen Aufgaben in verschiedene Domänen. Diese sollen ebenfalls in der Lage sein die Rolle einer Basisstation, einer Datenbank oder eines Anwendungsservers zu übernehmen. Insgesamt wird KI also bei 6G ein deutlich größeres Thema darstellen als noch bei 5G oder gar 4G.
Laut Henry Tang, Leiter der 5G-Forschung bei OPPO, wird eine Standardisierung von 6G voraussichtlich im Jahr 2025 erfolgen. Mit einer kommerziellen Nutzung der Zukunftstechnologie ist jedoch nicht vor 2035 zu rechnen. Bis dato rechnet OPPO mit einem deutlichen Zuwachs an intelligenten Geräten. Wenn euch das Thema interessiert, schaut doch einfach mal in das Oppo-Paper rein – dort gibt es mehr Details.
Quellen
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