Virtuelle Realitäten und Roboterschwärme – 6G-RIC forscht an der nächsten Mobilfunkgeneration
Die fünfte Mobilfunkgeneration (5G) wird derzeit in den Mobilfunknetzen umgesetzt – gleichzeitig wird an der nachfolgenden Generation geforscht. 6G wird voraussichtlich ab dem Jahr 2030 Milliarden von Dingen, Maschinen und Menschen miteinander vernetzen. Dabei werden Daten um ein Vielfaches schneller übertragen als mit 5G, die Energieeffizienz und Ausfallsicherheit nehmen deutlich zu. Eine Fördermaßnahme des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) legt den Grundstein für ein Innovationsökosystem zur Erforschung und Entwicklung zukünftiger Kommunikationstechnologien rund um 6G. Im April 2021 startete das BMBF die erste deutsche Forschungsinitiative zur 6G-Technologie; gefördert werden unter anderem vier sogenannte „6G-Forschungs-Hubs“, die im August 2021 ihre Arbeit aufgenommen haben.
Das „6G Research and Innovation Cluster”, kurz 6G-RIC, baut eine Testinfrastruktur auf, mit deren Hilfe neue Technologiekomponenten unter realistischen und offenen Bedingungen erprobt werden sollen. Anwendungsfelder sind „gemischte Realitäten“ und „mobile Roboterschwärme“. Unter Ersterem werden cyber-physische Systeme, d.h. Verbindungen der virtuellen mit der physischen Welt, verstanden – beispielsweise Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR). Konkret wird an Anwendungen in der Telemedizin und zu digitalen Zwillingen geforscht. Mobile Roboterschwärme bezeichnen werden Serviceroboter und Drohnen, die primär im Konsumenten- und Industriebereich eingesetzt werden sollen.
Entwicklung von 6G-Schlüsseltechnologien mit offenen Schnittstellen für umfassende Anwendungsmöglichkeiten
Das Ziel des 6G-RIC Forschungs-Hubs ist die Entwicklung von Mobilfunksystemen mit offenen Schnittstellen über alle Technologiegrenzen hinweg. Dabei forscht der Hub an diversen Bereichen innerhalb der Kommunikationstechnologie zur Entwicklung von 6G-Netzen.
Die Schwerpunkte des 6G-RIC liegen hierbei in der technologischen Entwicklung sowie dem Aufbau einer leistungsfähigen Testinfrastruktur, die dafür genutzt werden soll, KMUs und Startups die realitätsnahe und offene Erprobung von neuen Technologiekomponenten des 6G-Standards zu ermöglichen. Diese sollen auf diese Weise eigens entwickelte Applikationen möglichst schnell zur Marktreife bringen können. Neben der Sicherstellung der unmittelbaren Verwertung der Forschungsergebnisse für Industrie und Wirtschaft soll damit auch ein nachhaltig angelegtes 6G-Ökosystem gebildet und international etabliert werden.
Leistungsstarke Kommunikationsnetze sind hochrelevant für die Gesellschaft, das hat auch die Corona-Pandemie gezeigt. Generell wäre die Digitalisierung ohne solche Kommunikationsnetze nicht möglich. Unser Ziel ist es, einen entscheidenden Anteil der Schlüsseltechnologien nächster Generation dafür zu entwickeln.
Prof. Slawomir Stanczak,
Projektkoordinator, Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut, TU Berlin
Im Rahmen des Forschungshubs wird an den Anwendungsfeldern „gemischte Realitäten“, d.h. die Verbindung von digitaler und physischer Welt, sowie an „mobilen Roboterschwärmen“ geforscht. Konkrete Anwendungen für „gemischte Realitäten“ sind in sogenannten cyber-physischen Systemen zu finden, durch die beispielsweise ein physischer Gegenstand, wie z. B. eine Maschine, durch einen digitalen Zwilling abgebildet, überwacht und gesteuert werden kann. Anwendungen in der Telemedizin, die trotz räumlicher Trennung von medizinischem Personal und Patient eine ärztliche Beratung und Diagnostik unter dem Einsatz von Kommunikationstechnologie ermöglichen, sind ebenfalls denkbar. Anwendungen in gemischten Realitäten erfordern sehr hohe Datenraten und Latenzen, die durch 6G-Netze realisiert werden können.
Mobile Roboterschwärme, beispielsweise in Form von Servicerobotern oder Drohnen, könnten in diversen Industrie- und Konsumentenbereichen zum Einsatz kommen, zum Beispiel in der Landwirtschaft zur automatisierten Aussaat oder zur Überwachung des Feldzustands. Die Roboter sind zumeist durch ein drahtloses Sensornetzwerk am Boden miteinander verbunden, die sie zu zahlreichen Sinneswahrnehmungen befähigen: Durch automatisiertes Riechen, Sehen, Tasten und Hören können so etwa Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen oder chemische Substanzen durch die Maschinenschwärme identifiziert werden.
Hohe Anforderungen an die Technologie definieren die Rahmenbedingungen der Forschung des 6G-RIC
Für die Anwendungsfelder, an denen im Rahmen von 6G-RIC geforscht wird, sind hohe Datenraten notwendig. Diese sollen zugleich energie- und kosteneffizienter übertragen werden. Hierfür ist die Entwicklung von Sende- und Empfängertechnologien (Transceiver-Technologien) mit zweifach höherer Energie- und Kosteneffizienz gegenüber dem aktuellen Stand der Technik geplant. Zudem können verteilte Systeme für multiple Sende- und Empfangsmöglichkeiten (MIMO-Systeme) den Bedarf an hohen Datenraten unter anderem durch die Nutzung höherer Frequenzen decken, da somit ein breiteres Spektrum an Datenübertragungsfrequenzen genutzt werden kann.
Skalierbarkeit ist für den langfristigen Erfolg der neuen Technologie erforderlich, um auch bei steigender Beanspruchung und hoher Auslastung der Netzinfrastruktur weiterhin leistungsfähig zu bleiben. Gerade vor dem Hintergrund industrieller Anwendungen im Bereich des Internets der Dinge („Internet of Things“ (IoT)) ist eine hohe Skalierbarkeit Grundvoraussetzung. Für ein cyber-physisches System in diesem Bereich, welches z. B. eine Fertigungsmaschine sein kann, die mit Messsensoren versehen ist, um Verschleiß und Qualität zu messen und digital auszuwerten, sind skalierbare Kommunikationssysteme unerlässlich. Dieser Bedarf verstärkt sich bei Gruppen von Maschinen wie autonomen Roboterschwärmen, da die Gesamtbeanspruchung durch die Interkonnektivität zwischen allen Geräten exponentiell steigt. Durch nicht skalierbare Netze würden entscheidende Anwendungen nicht umsetzbar sein.
Aspekte der Kommunikationssicherheit und des Datenschutzes sind dabei von hoher Relevanz, um externe Angriffe auf die Kommunikationsnetze abwehren zu können oder unerwünschtes Eindringen schädlicher Software zu verhindern. Sie werden bei der Forschung von Beginn an berücksichtigt, woraus sich der Entwurf einer Sicherheitsarchitektur für 6G-Netze unter dem sogenannten „Security-by-Design“-Ansatz ergibt.
6G bietet vielfältige Möglichkeiten zur Erreichung von Nachhaltigkeitszielen
Gerade vor dem Hintergrund von Nachhaltigkeitszielen wird am 6G-RIC ein großer Wert auf die Entwicklung einer 6G-Technologie gelegt, die skalierbar eingesetzt werden kann und dabei effizient bleibt. Die Technologie kann an dieser Stelle die Chance bieten, neue Maßstäbe im Energieverbrauch und der Ressourceneffizienz zu setzen. Die Forschungsaktivitäten des 6G-RIC finden im Kontext der UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung statt. So könnten 6G-Netze u.a. einen Beitrag zur Erfüllung des UN-Ziels der sauberen Trinkwasserversorgung leisten, indem beispielsweise Wasserqualitäten überwacht werden.
Forschungsteam aus unterschiedlichen Fachbereichen ermöglicht ganzheitliche Expertise
Die Koordination des 6G-RIC-Forschungshubs obliegt dem Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) unter der Verantwortung von Prof. Slawomir Stanczak. In seinen Forschungsaktivitäten agiert der Hub dezentral, da innerhalb des nationalen Forschungsclusters interdisziplinär gearbeitet wird und jede Universität und Forschungseinrichtung ihre individuelle Expertise einbringt. Die zugewiesenen Themenbereiche werden eigenständig durch das jeweilige Institut geleitet. Durch die Zusammenarbeit universitärer Partner mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen wird ein breites Spektrum von der Grundlagenforschung bis hin zur angewandten Forschung abgedeckt. In den Forschungsteams befinden sich renommierte Forschende aus unterschiedlichsten Fachrichtungen, vor allem jedoch Elektrotechnik, Informatik, Mathematik und Physik.
Realitätsnahe Forschung zur 6G-Technologie und nachhaltige Innovation als Schlüssel zum Erfolg
Im Rahmen des Programms „6G-Forschungs-Hubs; Plattform für zukünftige Kommunikationstechnologien und 6G“ erforscht und entwickelt das 6G-RIC die 6G-Technologie unter realistischen und offenen Bedingungen. Neben dem Aufbau von Testinfrastruktur, die auch externen Partnern zur Verfügung gestellt werden soll, werden im Hub eigene Anwendungsfelder im Bereich von cyber-physischen Systemen und Robotik erprobt und weiterentwickelt.
Die Entwicklung findet unter Gesichtspunkten der Energie- und Kosteneffizienz, Skalierbarkeit sowie Sicherheit statt und bietet den beteiligten Forschungspartnern die Möglichkeit, die Konkurrenzfähigkeit des Technologiestandorts Deutschland für die Zukunft zu sichern und eine nachhaltige Innovationsförderung zu gewährleisten. Durch die enge Zusammenarbeit zwischen Universitäten, Forschungsinstituten und Industrie ergibt sich eine vielversprechende Chance zur Entwicklung der Kommunikationsnetze der nächsten Generation.
Weiterführende Links
https://6g-ric.de/
