6GEM forscht an effizienten und sicheren Mobilfunknetzen der nächsten Generation
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.
Der Forschungshub „6GEM“, gebildet aus einem Verbund von insgesamt zehn Universitäten und Forschungsinstituten aus Nordrhein-Westfalen, baut ein 6G-Ökosystem auf, das einen Technologietransfer in regionale, nationale und europäische Unternehmen ermöglicht. Schwerpunkte werden dabei auf autonomes Fahren, smarte Produktion und Logistik sowie Medizin gelegt. Dabei wird ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt: Von der Produktion über die Logistik bis hin zum Menschen mit seinen Bedürfnissen nach Selbstbestimmung, Privatsphäre und Sicherheit in Zeiten des Klimawandels. Zur Umsetzung der Vorhaben werden sieben Testfelder eingebunden und mit 6G-Systemen ausgerüstet: Ein digitaler Operationssaal, ein Smart Hospital, Logistik-, Produktions- und Robotik-Zentren sowie Straßenverkehrsszenarien von der Innenstadt bis zur Autobahn.
Die sechste Mobilfunkgeneration ermöglicht durch die Verbindung von Sensorik und robusten Hochfrequenz-Kommunikationsnetzen eine Vielzahl an Anwendungsfällen
6GEM konzentriert seine Forschungsaktivitäten auf eine Reihe von Themenbereichen, die auf nachgelagerter Ebene in sogenannte Transferbereiche wie beispielsweise Standards, Patente, Startups und Nachwuchsförderung aufgegliedert werden. Ein Forschungsschwerpunkt des Hubs ist die Betrachtung aller Sicherheitsaspekte entlang des Produktlebenszyklus von technischen Systemen bereits in der Entwicklungsphase (Security and Safety by Design). So können Fehler und Ausfälle des Systems wie auch Manipulationen von außen bereits frühzeitig erkannt werden, bevor diese innerhalb der Testphase oder im laufenden Betrieb auftreten und mit wesentlich größerem Aufwand behoben werden müssen.
6GEM hat sich zum Ziel gesetzt, die ganzheitliche Vision von 6G als offene, effiziente, sichere und zuverlässige Technologie zu verbreiten.
Prof. Dr. Haris Gačanin, Projektkoordinator 6GEM, Institut für Kommunikationstechnologien und eingebettete Systeme (ICE),
Lehrstuhl für Verteilte Signalverarbeitung, RWTH Aachen
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am 6GEM forschen außerdem an der Kommunikation im Terrahertz (THz)-Bereich. Als Reaktion auf das Problem der Frequenzknappheit, das durch die starke Verbreitung drahtloser Geräte und Dienste entstanden ist, werden 6G-Netze zusätzlich höhere Frequenzbänder nutzen als die vorherigen Generationen. Die drahtlose THz-Kommunikation wird als technologischer Grundpfeiler für eine Vielzahl von Anwendungsfällen anerkannt, die von körpernahen Anwendungen im Nanomaßstab bis hin zu drahtlosen lokalen Netzwerken im Innen- und Außenbereich sowie Nah- und Weitverkehrsnetzen (s. Backbone-Netz) reichen.
Die Kombination von Kommunikation und Erfassung der Umgebung durch Funktechnik und Sensorik (Joint Communications and Sensing) ist ein weiteres Themenfeld des Forschungs-Hubs. Optimierungshinweise für die Netzsteuerung können so die Leistung des Netzes verbessern – beispielsweise mit Hilfe von Sensoren, die Objekte erkennen, die den direkten Ausbreitungsweg des Funknetzes behindern. Auf Basis dieser Information kann die Funkausrichtung adaptiv und flexibel angepasst oder zu einem anderen Übertragungspunkt für die Kommunikation mit dem Endgerät gewechselt werden.
Im Rahmen der Verkehrsüberwachung könnten zukünftig mehrere Sender/Empfänger-Knoten an einer städtischen Straßenkreuzung durch die Ortung von Fahrzeugen und der Messung ihrer Geschwindigkeiten im Gefahrenfall Warnsignale aussenden – und das in Echtzeit.
Im Rahmen des Hubs werden Komponenten entwickelt und mit offenen Prototypen aus den Unternehmen erweitert. Dadurch entsteht ein Wissenstransfer, der für beide Seiten Mehrwert bietet. Durch den Aufbau von Testinfrastruktur erhalten Unternehmen zudem die Chance, ihre Technologien in Reallaboren zu erproben und somit schnell zur Marktreife zu bringen.
Prof. Dr. Haris Gačanin, Projektkoordinator 6GEM, Institut für Kommunikationstechnologien und eingebettete Systeme (ICE),
Lehrstuhl für Verteilte Signalverarbeitung, RWTH Aachen
Übergeordnete Zielstellungen geben die Richtung des Hubs vor
6GEM verfolgt bei seinem Forschungsvorhaben folgende fünf übergeordnete Zielstellungen:
1. Aufbau eines starken 6G Ökosystems für deutsche und europäische Technologieanbieter
6GEM soll ein Hub von Weltrang für exploratorische und angewandte Forschung und Entwicklung auf verschiedenen Technologieebenen werden. Dies soll durch Exzellenz in der gesamten Wertschöpfungskette erreicht werden, die technische, ökonomische und gesamtgesellschaftliche Aspekte umfasst. Dadurch sollen internationale Spitzenforschende und Unternehmen in die Region ziehen.
2. Aus- und Weiterbildung von Fachkräften in 6G-Technologien
In den Arbeitspaketen sollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ausgebildet, gefördert und zur Promotion qualifiziert werden. Diese Fachexpertinnen und -experten werden für die Umsetzung auf Produktebene und der Entwicklung von 6G-Technologien im Zeitraum ab 2025 entscheidend sein. Nach Abschluss des 6GEM-Projekts werden einerseits die Unternehmen im Hinblick auf ihre Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten direkt von diesen Experteninnen und Experten profitieren können. Besonders kleine und mittelständische Unternehmen sollen durch den Hub die Möglichkeit erhalten, vom erlangten Wissen und den zur Verfügung stehenden Anlagen zu profitieren. Andererseits finden aktuelle Forschungsergebnisse den Weg in die universitäre Lehre in der Elektrotechnik, den Maschinenbau und der Informatik, insbesondere auch in neu entstehende Studiengänge.
3. Technologische Souveränität durch Technologietransfer an regionale, nationale und europäische Unternehmen
Durch Kooperationen mit regionalen und nationalen Technologieunternehmen sollen Forschungsergebnisse schnell in die praktische Umsetzung gebracht werden. Von Beginn an sollen junge High-Tech Ausgründungen aktiv an den Testfeldern und Erkenntnissen des Hubs teilhaben und so auch zukünftige Gründende in der Region inspirieren. Der Aufbau technologischer Souveränität in Deutschland lässt zudem die Möglichkeit zu, in der Vorreiterrolle mit europäischen Partnern zu kooperieren und den Technologietransfer gezielt für beiderseitige Zwecke zu nutzen.
4. Mobilfunk in der Öffentlichkeit
Durch 6G sind auch für die Gesellschaft weitreichende Veränderungen in der Interaktion mit Informations- und Kommunikationstechnologie zu erwarten. Daher stellt der Dialog mit der Öffentlichkeit in Bezug auf mögliche sozio-ökonomische und normative Auswirkungen einen essenziellen Teil der Hub-Strategie dar. Zum einen, indem der Hub selbständig Informationen bereitstellt, zum anderen auch durch die Partizipation an der 6G-Plattform, die eine koordinierte Strategie der 6G-Entwicklung in Deutschland und Europa gewährleisten soll.
5. Energieeffizienz und Nachhaltigkeit
Mit der stetig steigenden Nachfrage nach drahtlosen Diensten und allgegenwärtigen Netzzugang wächst potenziell der ökologische Fußabdruck des Mobilfunks, wenn Energieeffizienzmaßnahmen bei der Weiterentwicklung der Mobilfunktechnologie nicht mitgedacht werden. Der nachhaltige Umgang mit limitierten Ressourcen kann durch Technologie verbessert werden und spielt im Rahmen von 6GEM eine zentrale Rolle. Darunter fallen sowohl die Entwicklung energieeffizienter Hardware als auch effiziente Algorithmen und deren Anwendung in bisher nicht in Betracht gezogenen Bereichen.
Nachhaltigkeit und gesamtgesellschaftlicher Nutzen als Grundvoraussetzung für das Design von zukünftigen Kommunikationstechnologien
Kommunikationstechnologien als solches sind nicht die Hauptursache von umweltbelastenden Einflüssen. Vielmehr bietet die Erhöhung der Leistungsfähigkeit eines Kommunikationsnetzes die Grundlage für einen steigenden Energiebedarf von nachgelagerten Diensten und Anwendungen, die diese Netze nutzen. Der Energiebedarf von Daten- und Rechenzentren ist in den letzten Jahrzehnten stark gestiegen. Um diesem Trend entgegenzuwirken, muss beim Design von Kommunikationssystemen bereits eine energieeffiziente Nutzung berücksichtigt werden. In den letzten Jahren wurden diesbezüglich schon enorme Fortschritte erzielt. Insbesondere der aktuelle Mobilfunkstandard 5G leistet einen wesentlichen Beitrag zur erhöhten Energieeffizienz von Mobilfunknetzen. Auch 6G soll dieses Design von Beginn an in sich tragen und so zum einen ökologische Nachhaltigkeit und zum anderen soziale Nutzenorientierung weiter fördern.
6G wird die Energieeffizienz von Kommunikationsnetzen weiter vorantreiben und die Gesellschaft und ihre Bedürfnisse in den Fokus rücken.
Prof. Dr. Haris Gačanin, Projektkoordinator 6GEM, Institut für Kommunikationstechnologien und eingebettete Systeme (ICE),
Lehrstuhl für Verteilte Signalverarbeitung, RWTH Aachen
So sollen durch 6G zum Beispiel sogenannte Smart Home- und diagnostische Anwendungen ermöglicht werden, die durch umfassende Sensorik in der Umgebung und am Körper biometrische Daten und Emotionen erfassen, um frühzeitig und gezielt auf Krankheitsbilder hinzuweisen, medizinische Beratung mittels künstlicher Intelligenz on-demand bereitzustellen oder die unmittelbaren Umgebungseinflüsse so zu verändern, dass sie einen positiven Effekt auf die betroffenen Individuen haben. Auch das Thema Strahlenbelastung durch Funknetze (electromagnetic compatibility, kurz EMC) wird in die Forschung des Hubs mit einbezogen, um öffentliche Bedenken gegenüber der Technologie zu adressieren.
Bildung von Synergien durch interdisziplinäre Zusammenarbeit und gemeinsame Nutzung von technischen Anlagen der Projektpartner
6GEM ist dezentral aufgebaut; die Projektpartner aus unterschiedlichen Fachrichtungen arbeiten interdisziplinär und standortübergreifend zusammen. Dabei bringen die Universitäten und Forschungsinstitute ihre jeweilige Expertise in die verschiedenen Spezialisierungen des Hubs ein.
Zur Umsetzung der Vorhaben werden sieben Testfelder (s. Steckbriefe unten) eingebunden und mit 6G-Systemen ausgerüstet: Ein digitaler Operationssaal der Uni Düsseldorf, ein Smart Hospital der Uniklinik Essen, das Deutsche Rettungsrobotik-Zentrum in Dortmund, die Hochgeschwindigkeits-Intralogistik des Fraunhofer-Instituts für Materialfluss und Logistik in Dortmund, die hochautomatisierten Produktionsumgebungen des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie in Aachen, eine großräumige Hafenlogistik in Duisburg sowie Straßenverkehrsszenarien von der Innenstadt bis zur Autobahn in Aldenhoven. Durch die Ergebnisse der wissenschaftlichen Arbeiten sollen zum einen Patente generiert werden, zum anderen sollen die Standardisierung offener 6G-Netze und Open-Source-Projekte für software-definierte Netze vorangetrieben werden.
Abstimmung zwischen den Hubs über die „6G-Plattform“ und Austausch mit internationalen Initiativen
In Deutschland dient die sogenannte „Plattform für zukünftige Kommunikationstechnologien und 6G“, kurz „6G-Plattform“, als zentrales Bindeglied, in das die wissenschaftlichen Leiterinnen und Leiter der Hubs in Form eines Beirats eingebunden sind. Außerhalb Deutschlands steht 6GEM in enger Beziehung und Kommunikation mit dem Projekt „6G-Flagship“ in Oulu, Finnland, welches als erste Initiative weltweit die Erforschung von 6G gestartet hat, ebenso mit der Initiative „Society 5.0“ oder auch „Super Smart Society“ aus Japan.
6G-Hubs als Gelegenheit zur Definition von zukünftigen Kommunikationstechnologien
Zur Entwicklung von 6G-Technologie wird im Forschungs-Hub 6GEM ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt, der sich an den Herausforderungen und Bedarfen der aktuellen Zeit orientiert und das Ziel verfolgt, möglichst viele Anwendungsfelder in die Forschung mit einzubeziehen. Dazu werden bestehende Testfelder aus Bereichen wie Medizin, Produktion, Logistik und Mobilität in das Projekt eingebunden und mit 6G-Komponenten ausgerüstet. Damit können verschiedenste Anwendungsszenarien unter annähernd realen Bedingungen getestet und entsprechend optimiert werden. Zukünftig soll es auch Unternehmen ermöglicht werden, ihre Prototypen in den Testfeldern zu erproben.
Weiterführende Links
https://www.6gem.de/de/
