Die sechs Thinknet 6G Fokus Bereiche

Wir gehen davon aus, dass künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) bei der Gestaltung und Optimierung der drahtlosen Schnittstelle von sich selbst optimierenden Sendern und Empfängern sowie für neue Formen der kontextabhängigen Entscheidungsfindung eingesetzt werden. 

KI- und ML-Technologien haben in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, insbesondere bei der Bildklassifizierung und dem Computerbild, und werden in so unterschiedlichen Systemen wie sozialen Medien und autonomem Fahren eingesetzt. 6G-Forscher untersuchen auch, wie KI/ML auf drahtlose Systeme und Netze angewendet werden können. Die Pläne für die aktuelle Mobilfunkgeneration, 5G, sehen den Einsatz von KI auf mindestens drei verschiedene Arten vor: 

• Ersetzen einiger Algorithmen der Schichten 1 und 2 (z. B. Kanalschätzung, Präambelerkennung, Entzerrung und Benutzerplanung) durch neue KI-basierte Algorithmen, die entweder leistungsfähiger oder weniger komplex sind oder beides. 
• Bei der Einsatzoptimierung, z. B. zur Konfiguration einer optimalen Untergruppe von Strahlen für ein bestimmtes Abdeckungsgebiet unter Berücksichtigung aktueller Zellverkehrsmuster. KI/ML-Techniken werden zur Konfiguration und Neukonfiguration des Netzes im laufenden Betrieb eingesetzt, wodurch das Netz ohne menschliches Eingreifen optimiert wird. 
• Genauere Lokalisierung von Endgeräten auf der Grundlage von maschinellem Lernen 

Zusätzlich zu diesen drei Fortschritten im RAN wird KI/ML auch für eine umfassende End-to-End-Netzautomatisierung und -Orchestrierung über mehrere heterogene Netze und Schichten hinweg eingesetzt. Im Zuge des Übergangs von 5G zu 6G wird der Einsatz von KI nicht mehr nur eine Erweiterung, sondern ein grundlegendes Element der Gestaltung und Optimierung der Luftschnittstelle sein. 

Da 6G voraussichtlich den Frequenzbereich von 114 GHz bis 300 GHz nutzen wird, müssen zusätzlich zu den bestehenden Frequenzbeständen in FR1 und dFRA neue Frequenztechnologien entwickelt werden. Zu diesen Technologien gehören neue integrierte Hochfrequenzschaltungen (RFIC) mit integrierten Antennenanordnungen und Phasenschiebern, neue Konzepte für die hybride Strahlformung in Kombination mit MIMO sowie neue Empfängerarchitekturen.  

Eine der größten Herausforderungen bei der Nutzung dieser "Sub-THz"-Hochbänder ist die Realisierung von Geräten mit hoher Ausgangsleistung zu vernünftigen Kosten. Signale mit kurzen Wellenlängen werden leicht blockiert, die Beugung an Objekten ist begrenzt, und die Signalabsorption durch Wasser (einschließlich der Luftfeuchtigkeit) ist erheblich. Diese Herausforderungen werden teilweise durch die NLOS-Abdeckung (Non-Line-of-Sight) ausgeglichen, die durch Reflexionen von Gebäuden und Wänden in dichten städtischen Umgebungen und Innenräumen möglich ist. Diese Herausforderungen und Eigenheiten der Hochbandausbreitung erfordern einen beträchtlichen Forschungs- und Entwicklungsaufwand, bevor der Einsatz realisierbar ist. 

Wir erwarten, dass Sub-Terahertz-Bänder von 114 GHz bis 300 GHz für Backhaul-Netze verfügbar werden. Darüber hinaus können diese Bänder durch eine enge Punkt-zu-Punkt-Kommunikation Frequenzen in den mmWave-Bändern freimachen. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind die Kurzstreckenkommunikation zwischen Anzeige- und Rechengeräten oder die Rack-to-Rack-Kommunikation in Rechenzentren. 

Zusätzlich zu den neuen Technologien für die Subterahertz-Bänder werden kostengünstige MIMO-Techniken eine bessere Nutzung der mmWave/FR2- und cmWave-Bänder durch massives, mehrfach verwendbares MIMO mit erhöhter Netzdichte ermöglichen. 

Die Forschung zur verbesserten Frequenznutzung in den unteren Frequenzbändern ist wichtig, da das Spektrum knapp ist und optimiert werden muss. Wir gehen davon aus, dass 6G-Betreiber und -Dienstleister KI/ML für den dynamischen Frequenzzugang in Zeit, Frequenz und Raum nutzen werden. 

6G-Netze werden nicht nur als Kommunikationsnetze, sondern auch für die Erfassung und Ortung passiver Objekte genutzt werden. Viele der 6G-Anwendungsfälle erfordern eine präzise Positionierung und Lokalisierung, z. B. in der industriellen Automatisierung oder beim autonomen Fahren. Das globale kinematische Echtzeit-Navigations-Satellitensystem (RTK GNSS) kann zwar eine hochpräzise Lokalisierung ermöglichen, erfordert aber eine gute Satellitensicht, die in Innenräumen nicht gegeben ist. Derzeit basiert die Lokalisierung in Innenräumen auf Ultrabreitband (UWB) oder Bluetooth Low Energy (BLE), für die zusätzliche Zugangspunkte und Geräte installiert werden müssen. Diese Systeme laufen parallel zum regulären Kommunikationssystem und verursachen daher zusätzliche Infrastruktur- und Betriebskosten, die vermieden werden könnten, wenn das reguläre Kommunikationssystem ebenfalls eine präzise Lokalisierung ermöglichen würde. 

5G umfasst Funktionen zur Verbesserung der Lokalisierung, wobei der Schwerpunkt auf Umgebungen der industriellen Automatisierung liegt. Auf dem Weg zu 6G erwarten wir, dass das Kommunikationsnetz nicht nur die Lokalisierung, sondern auch zusätzliche Erfassungsaufgaben übernehmen wird. Die 5G-Lösungen werden durch KI/ML-basierte Kanalkartierung sowie durch die Datenfusion von RF-, Kamera- und anderen Sensoren auf Robotern eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erreichen. 

Das 6G-Systemdesign wird nicht nur für die Kommunikation optimiert, sondern wird auch spezielle Fähigkeiten für die Sensorik beinhalten. So können beispielsweise Wellenformen, die in der Lage sind, Chirp-Signale zu erfassen, mit Wellenformen gemultiplext werden, die für die Kommunikation optimiert sind. Die größere Signalbandbreite in den Sub-Terahertz- und Terahertz-Bändern kann die Präzision der Abtastung erhöhen, möglicherweise bis auf einen Millimeter genau. Dieses Präzisionsniveau ermöglicht neue Anwendungen wie die Fehlererkennung in der Fertigung oder die Krebsdiagnose. 

Die Kombination der präzisen multimodalen Sensorik mit den durch 6G ermöglichten kognitiven Technologien wird Fortschritte bei der Analyse von Verhaltensmustern und menschlichen Vorlieben ermöglichen und einen "sechsten Sinn" schaffen, der die Bedürfnisse der Nutzer vorwegnimmt und so eine intuitivere Interaktion zwischen digitaler und physischer Welt ermöglicht. 

Das 6G-Netz wird in der Lage sein, sich automatisch und dynamisch neu zu konfigurieren, um sich an veränderte Anforderungen, Nachfrage und Umgebungen anzupassen. 

Einige dieser automatischen Anpassungstechniken wurden bereits oben in der Diskussion über KI/ML erwähnt. Das RAN-Netz wird in der Lage sein, sich automatisch an die aktuellen Anforderungen anzupassen, z. B. durch: 

• Verbessertes Schicht-1- und Schicht-2-Verhalten für Kanalschätzung, Präambelerkennung, Entzerrung und Benutzerplanung 
• Optimierte Strahlenkonfiguration, um die derzeit optimalen Untergruppen von Strahlen für ein bestimmtes Versorgungsgebiet zu konfigurieren, wobei die aktuellen Zellverkehrsmuster und das Nutzerverhalten berücksichtigt werden

Die dynamische Anpassung im Funkzugangsnetz ist jedoch nur ein kleiner Teil der für das 6G-Netz vorgesehenen dynamischen Anpassung. Um eine umfassende End-to-End-Automatisierung und -Organisation in Echtzeit über mehrere heterogene Netze und Betreiber hinweg zu ermöglichen, sind erhebliche Änderungen an der Kernnetzarchitektur erforderlich. 

Teilnetze 

Frühere Mobilfunkgenerationen konzentrierten sich auf die Ausweitung des Sprach- und Datennetzes auf einzelne mobile Endpunkte, hauptsächlich Menschen mit Mobiltelefonen in der Hand. 5G ist die erste Generation, die den Schwerpunkt auf das industrielle Umfeld ausdehnt und neue architektonische Entwicklungen wie die Unterstützung von zeitabhängigen Netzwerken (TSN) als Brückenfunktion einführt. 6G wird 5G erweitern, um volle deterministische, drahtgebundene Zuverlässigkeit für eine Vielzahl von Konnektivitätsszenarien zu bieten, die von statischen, isolierten Geräten über miteinander verbundene, lokal interagierende Geräte bis hin zu sich schnell bewegenden Schwärmen reichen, die sich untereinander und mit dem Netz verbinden. 

Um sowohl eine hohe zeitliche als auch eine hohe räumliche Zuverlässigkeit und Determinismus zu gewährleisten, wird das 6G-Netz in mehrere halbautonome Teilnetze unterteilt sein. Die Teilnetze müssen zumindest die kritischsten Dienste im Teilnetz bereitstellen, auch wenn die Konnektivität mit dem breiteren Netz schlecht oder nicht vorhanden ist. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, werden das Netz und/oder die Teilnetze mehrere Pfade und opportunistische Verbindungen von Gerät zu Gerät nutzen, was zu zellenlosen Architekturen führt. 

Hochspezialisiertes Slicing 

Zusätzlich zu den oben genannten Anforderungen an Teilnetze und Szenarien mit mehreren Anschlüssen erwarten wir, dass das 6G-Netz in mehrere Slices und virtuelle Netze unterteilt wird. Slices können hochspezialisiert sein und könnten separate Software-Stacks für eine differenzierte Flussbehandlung in jedem Slice ausführen. Der derzeitige Trend zur Virtualisierung im RAN, insbesondere auf höheren Schichten, wird zur Entwicklung von Mikro-RAN-Diensten führen, die dann flexibel zu slice-spezifischen RAN-Implementierungen zusammengestellt werden können. Ein Slice für Videodienste könnte beispielsweise Mikrodienste zur Videooptimierung enthalten, während ein Slice für IoT-Geräte mit niedrigem Durchsatz einen verbindungslosen Zugang bieten könnte. 

Wir erwarten flexible, slice-spezifische Funktionen über mehrere Geräte (Gateways, Relais, Zellstandorte, Fernkanten, Kanten, regionale Clouds, ...) und über mehrere Hardware-Plattformen hinweg, je nach den Anforderungen des jeweiligen Slice. Es werden neue Konzepte und Innovationen benötigt, um solche hochspezialisierten Slices zu verwalten und zu orchestrieren. 

RAN/Kern-Konvergenz 

In 5G sehen wir bereits zwei Trends, die sich auf die 6G-Architektur auswirken werden. In 5G verlagern sich viele der "Edge"-Funktionen im RAN in den Kern, da Teile der Centralized Unit (CU) virtualisiert und dann in der Edge- oder Metro-Cloud implementiert werden. Gleichzeitig werden einige der 5G-Kernfunktionen stärker dezentralisiert und virtualisiert und dann in die regionalen oder Metro-Clouds oder sogar in die Edge-Clouds für Dienste mit niedrigen Latenzzeiten verlagert. 

Wir gehen davon aus, dass sich diese Trends fortsetzen werden, wobei mehr RAN-Funktionen in den Kern und mehr Kernfunktionen in den Randbereich verlagert werden. Wir gehen davon aus, dass innerhalb des 6G-Zeitrahmens eine Konvergenz der Funktionen in einigen wenigen Funktionsblöcken stattfinden wird, die sowohl ein RAN als auch einen Kern implementieren, was zu einem "kernlosen" RAN führt. 

Ein drahtloses Mobilfunknetz ist seinem Wesen nach ein hochdynamisches Netz. Geräte und ihre Benutzer kommen und gehen, sie bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten von Zelle zu Zelle, und ihre Anforderungen an die Datenrate steigen und fallen, wenn sie ein Video ansehen oder einen Anruf tätigen. Das Hinzufügen komplexer Subnetting- und Netzwerkslicings, die auf Hardware- und Softwareblöcken mit unterschiedlichen Funktionen bei mehreren Betreibern auf der ganzen Welt laufen, erfordert ein Maß an Konsens und automatisierter Orchestrierung, das weit über die derzeitigen 5G-Fähigkeiten hinausgeht. 

Zu den Leistungsanforderungen für 6G-Netze können Latenzzeiten unter 1 ms und extreme Zuverlässigkeit ("nine 9s") gehören.  

Die wichtigsten Techniken zur Erreichung niedriger Latenzzeiten und hoher Zuverlässigkeit in 5G sind Mini-Slots und garantiefreier Kanalzugang für niedrige Latenzzeiten sowie mehrfach verbundene Verbindungen mit mehreren Zugangspunkten, Trägern und Paketverdopplung für Zuverlässigkeit. Allerdings ist selbst eine Latenz von 1 ms über die Luft für einige 6G-Anwendungsfälle unzureichend, z. B. als Ersatz für herkömmliche kabelgebundene Verbindungen für die industrielle Kommunikation (z. B. für EtherCAT). Diese Anwendungsfälle erfordern wesentlich geringere Funklatenzen, die bei Gbit/S-Datenraten in der Größenordnung von 100 µs liegen. Und die angestrebte Zuverlässigkeit kann bei einigen Anwendungsfällen in der Industrieautomation neun 9s erreichen. 

6G soll diese Anforderungen erfüllen, indem es die größere Bandbreite des mmWave-Spektrums nutzt, um die Spezifikationen für Latenzzeiten und Datenraten zu erfüllen. Die Zuverlässigkeit kann durch die gleichzeitige Übertragung über mehrere Pfade, die mehrere Sprünge beinhalten, verbessert werden. Kooperatives Relaying über Gerät-zu-Gerät-Verbindungen kann mehrere separate Pfade vom Netz zu einem bestimmten Endgerät schaffen. Schließlich kann ein prädiktives Strahlmanagement auf der Grundlage von KI/ML-Vorhersagen die Unsicherheit bei der Verbindungsqualität verringern. 

Anwendungsfälle im IoT und im industriellen IoT bringen eine weitere Form der extremen Vernetzung in die Diskussion ein, und zwar in Form von extrem energiearmen oder energiefreien Endgeräten. Es gibt mehrere Anwendungsfälle, die energiearme oder energiefreie Sensoren mit extrem langen Betriebszeiten erfordern, die über ein großes geografisches Gebiet verteilt sind. Für die laufende Überwachung und Inspektion von Brücken beispielsweise sollten drahtlose Sensoren, die während der Bauphase eingebaut werden, ca. 100 Jahre lang ohne menschliches Eingreifen funktionieren. Lösungen für solche Extremsituationen müssen Kommunikation mit geringem Stromverbrauch, extrem niedrige Leerlaufströme, Energy Harvesting und erreichbare Energiespeicher umfassen. 

Einige der für 6G vorgesehenen Anwendungsfälle haben kritisch hohe Sicherheitsanforderungen. Da die physische und die biologische Welt verschmelzen, sind die derzeit verfügbaren Datenschutzlösungen völlig unzureichend. Da die multimodale Sensorik fast alles erfassen wird, was eine Person tut, und die gesamte Umgebung, in der sie sich befindet, müssen die Nutzer in der Lage sein, einzuschränken, welche Daten sie weitergeben und mit wem sie geteilt werden. Dies erfordert klare und leicht verständliche Möglichkeiten für die Nutzer, ihre Präferenzen für die gemeinsame Nutzung von Daten zum Ausdruck zu bringen, und für die Nutzer, die vollständige Kontrolle über ihre persönlichen Daten zu behalten. 

Es gibt eine Vielzahl neuer Signalverarbeitungstechniken, um Sicherheit und Datenschutz in gemischten Realitätswelten zu gewährleisten, und diese Mechanismen werden ein wesentlicher Bestandteil des 6G-Netzes sein. 

Wenn in industriellen Anwendungen die Zuverlässigkeit von drahtgebundenen Netzen durch ein drahtloses Netz ersetzt wird, ergeben sich neue Anforderungen an die Sicherheit und den Datenschutz für dieses drahtlose Netz. Störeinflüsse sind eine neue Bedrohung für industrielle Netzwerke, die es zu bekämpfen gilt. Angreifer könnten versuchen, Industrienetzwerke von außerhalb der Anlage zu stören, so dass physische Sicherheit allein nicht ausreicht. Störungen können den industriellen Betrieb ernsthaft beeinträchtigen, insbesondere in zeitkritischen Netzwerken. 5G- und 6G-Netze werden so konzipiert sein, dass sie solche Risiken ausschließen. 

Die für 6G vorgesehene Netzarchitektur sieht vor, dass Anwendungen wie Car2x-Kommunikation, Roboter und persönliche Körpersensoren in separate Teilnetze aufgeteilt werden. Dies erfordert eine Änderung der Genehmigungsstrategie, um die Genehmigung von der Netzebene auf die Teilnetzebene zu verlagern. In einem Body-Area-Network (BAN) zum Beispiel gehören die Geräte im Subnetz zu diesem Subnetz, so dass die Autorisierung und die Verwaltung der Geräte an der Vertrauensgrenze des Subnetzes erfolgen muss. Das gesamte 6G-Netz wird mehrere Teilnetze miteinander verbinden, so dass auf der Netzebene eine zusätzliche Autorisierungsebene erforderlich sein kann. Darüber hinaus können die Subnetze zu gegenseitig nicht vertrauenswürdigen Einheiten gehören, was nicht nur eine klare Trennung zwischen den Subnetzen, sondern auch zwischen dem Netz und seinen Subnetzen erfordert. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Teilnetze als unabhängige Netze agieren, die über eine eigene Autorisierungsbefugnis verfügen und für die Verwaltung ihrer eigenen Teilnetzanlagen verantwortlich sind. Das dynamische Verhalten von Vermögenswerten in einem zellularen Netz (z. B. ständiges Hinzutreten zum Netz und Verlassen des Netzes) macht es zu einer Herausforderung, die Privatsphäre und Anonymität von Teilnetzen zu wahren.  

Das Vertrauen in das Netz ist entscheidend für den Erfolg von 6G.