6G — die nächste technische Stufe der drahtlosen Kommunikation

• Was ist 6G und wie unterscheidet es sich von 5G
• Woher wird 6G solche Geschwindigkeiten haben
• Wann wird das Netzwerk zum Sensor

Zuallererst, für diejenigen, die es nicht wissen (ich zum Beispiel wusste es kürzlich noch nicht) — G — steht für Generation. Im Falle von Kommunikation sind dies die Regeln, nach denen das Mobilfunknetz arbeitet.

Ein Telefon — ist ein kleiner Empfänger und Sender, der mit einer Basisstation kommuniziert, die die Daten weiter ins Netzwerk sendet. Wenn wir eine Website öffnen, verbindet uns das Mobilfunknetz mit der Infrastruktur, in der sie arbeitet. Dies kann ein gewöhnliches Webhosting oder ein virtueller Server sein — je nach den Bedürfnissen der Website. Die Anfrage gelangt über das Internet dorthin, und der Inhalt der Seite wird an das Telefon zurückgesendet.

Die Verbindung zur Basisstation — ist der erste Abschnitt dieses Weges, dessen Möglichkeiten sich mit dem Erscheinen neuer G-Generationen ändern.

Für die Verbindung zwischen Telefon und Basisstation werden Radiowellen unterschiedlicher Frequenz verwendet — verschiedene Abschnitte des Funkfrequenzspektrums. Die Frequenz wird in Hertz gemessen: zum Beispiel 700 MHz, 3,5 GHz oder 30 GHz. 

Auch das Konzept des Spektrums ist wichtig — man kann es sehr vereinfacht als den Raum vorstellen, in dem das Netzwerk Daten überträgt, und die ihm zugewiesene Frequenzbandbreite — als die Breite dieses Raums. Je breiter das verfügbare Band, desto mehr Daten können in der gleichen Zeit übertragen werden — das heißt, je höher die Bandbreite. Bei höheren Frequenzen ist es einfacher, breite freie Bänder zu finden, aber das Signal überwindet größere Entfernungen und Hindernisse schlechter, während bei niedrigeren Frequenzen die Abdeckung besser ist, aber die Bänder "voller" sind. 

Der Unterschied zwischen den Generationen besteht auch darin, dass diese Technologie "kann":

• 1G — ist einfach die Übertragung von Sprache über einen Funkkanal.
• 2G kodiert bereits Sprache, ermöglicht langsame Datenübertragungen und das Senden von Textnachrichten — SMS.
• 5G baut die Funkschnittstelle und die Netzwerkarchitektur so um, dass gleichzeitig sehr unterschiedliche Aufgaben gelöst werden können: hoher Datenverkehr, geringe Latenz, enorme Anzahl von Geräten usw.

Mit anderen Worten, anfangs bedeuteten die neuen G-Generationen den Übergang von analoger Sprachkommunikation zu digitaler Datenübertragung. Und dann verändert jede Generation, wie viele Daten, wie schnell, mit welcher Latenz und für wie viele Geräte das Netzwerk gleichzeitig übertragen kann.

Wir alle erinnern uns wahrscheinlich daran, wie der Übergang zu 4G und 5G stattfand. Jetzt ist die sechste Generation an der Reihe.

Was ist 6G und wie unterscheidet es sich von 5G

6G — ist die nächste, sechste Generation der mobilen Kommunikation. Bis jetzt befindet sie sich noch in der Entwicklung: Die ITU (Internationale Fernmeldeunion, ITU) nennt das zukünftige System IMT-2030, und die spezifischen Technologien, aus denen es bestehen wird, werden noch festgelegt. Um ehrlich zu sein, erscheinen mir die Pläne für das Jahr 2030 immer etwas überheblich, aber wir alle werden zu solchen Abstraktionen gedrängt, also warum sollten sie nicht auch die Entwickler von Mobilfunknetzen anregen.

5G kann bereits viele Daten übertragen, eine enorme Anzahl von Geräten unterstützen und sehr geringe Latenzzeiten gewährleisten. 6G soll diese Eigenschaften weiter verbessern, aber gleichzeitig werden neue Aufgaben an das Mobilfunknetz hinzugefügt.

Zum Beispiel soll das Netzwerk nicht nur das Signal übertragen, sondern auch die Position, Bewegung und Entfernung zu Objekten genauer bestimmen — das heißt, teilweise wie ein Sensor arbeiten. Der terrestrische Mobilfunk soll enger mit Satelliten- und anderen nicht-terrestrischen Netzwerken verbunden werden. Ein eigener Bereich wird die Arbeit des Netzwerks mit KI sein — sowohl zur Steuerung des Netzwerks selbst als auch zur Datenübertragung zwischen Geräten und Rechensystemen.

Auch der Maßstab ändert sich. Für IMT-2030 werden derzeit folgende Zielmerkmale in Betracht gezogen:

• Spitzenrate — 50–200 Gbit/s.
• Latenz — im Bereich von 0,1–1 ms.
• Dichte der Verbindungen — bis zu 10⁶–10⁸ pro Quadratkilometer.
• Positionsgenauigkeit — bis zu Zentimetern.

Dies sind Richtwerte für verschiedene Szenarien und kein Satz von Indikatoren, die unbedingt gleichzeitig erreicht werden müssen. Das heißt, ein Smartphone mit 6G-Unterstützung wird nicht automatisch 200 Gbit/s anzeigen.

Darüber hinaus reduziert sich der Unterschied zwischen 5G und 6G nicht auf eine einzige Zahl. 5G hat in erster Linie die Möglichkeiten des Mobilfunknetzes als Kommunikationsmittel erweitert. Bei 6G versucht man, das Netzwerk selbst zu einem komplexeren System zu machen: es überträgt Daten, bestimmt die Eigenschaften der physischen Umgebung, integriert verschiedene Netzwerktypen und interagiert zunehmend mit Rechenoperationen.

Woher wird 6G solche Geschwindigkeiten haben

Also, 200 Gbit/s. Woher können sie überhaupt kommen?

Wir haben bereits über die Bandbreite und die Breite des Frequenzbandes gesprochen. Eine Möglichkeit, mehr Daten in der gleichen Zeit zu übertragen — besteht darin, einen breiteren Kanal zu erhalten. Das Problem ist, dass das Funkfrequenzspektrum schon lange genutzt wird: durch Mobilfunk, Fernsehen, Satelliten, Radare, Wi-Fi und viele andere Systeme. Es ist nicht einfach, ein großes zusammenhängendes Stück freien Spektrums bei den üblichen Frequenzen zu finden.

Deshalb schauen die Forscher nach oben — insbesondere auf Frequenzen über 100 GHz und den sogenannten sub-THz, subterahertz Bereich. Dort können deutlich breitere Kanäle erhalten werden.

Und hier ist eine wichtige Klarstellung: Eine höhere Frequenz bedeutet nicht automatisch eine höhere Geschwindigkeit. Uns interessiert die Möglichkeit, dort ein breiteres Frequenzband zu erhalten und darüber mehr Informationen zu übertragen. 

Natürlich hat das seinen Preis. Wir haben zu Beginn bereits gesagt: Je höher die Frequenz, desto schwieriger ist es für das Signal, große Entfernungen und Hindernisse zu überwinden. Daher sind für solche Verbindungen komplexere Antennen und insgesamt eine dichtere Infrastruktur erforderlich, die Bildung eines gerichteten Radiostrahls (Beamforming).

Außerdem bedeutet 6G nicht, dass das gesamte Mobilfunknetz einfach auf 100 GHz oder in den Terahertz-Bereich umschaltet. Verschiedene Frequenzen haben unterschiedliche Vorteile, daher sind zukünftige Netzwerke darauf ausgelegt, verschiedene Bereiche zu nutzen. 

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Wann wird das Netzwerk zum Sensor

Und hier beginnt, meiner Meinung nach, der sehr interessante Teil der Geschichte über 6G.

Wenn man nicht weiter als bis zur Wikipedia schaut, erfährt man zum Beispiel von chinesischen Experimenten mit Technologien, die Teil von 6G werden könnten. Im Gelben Meer testeten Forscher einen Radar bei einer Frequenz von etwa 110 GHz und konnten extrem schwache Wellenbewegungen der Wasseroberfläche erfassen, die durch Geräusche unter Wasser verursacht wurden.

Hier ist es wichtig, ein wenig mit den Einheiten zu klären. Hertz — ist eine Welle pro Sekunde. Gigahertz — eine Milliarde solcher Wellen, und Terahertz — eine Billion: 1000 GHz = 1 THz. Das heißt, 110 GHz — sind 0,11 THz, bereits die untere Grenze des Bereichs, der in der Forschung oft dem Terahertz zugeordnet wird.

Und bei solchen Frequenzen kann das Radiosignal nicht nur zur Datenübertragung verwendet werden, sondern auch als sehr empfindlicher Sensor. Wir senden ein Signal, schauen, wie es reflektiert und verändert wurde, und daraus erhalten wir Informationen über die physische Umgebung.

Im Fall des Gelben Meeres verursacht der Unterwasser-Schall extrem schwache Wellenbewegungen an der Oberfläche, und der Radar über dem Wasser kann sie sehen. Das heißt, der Empfänger muss nicht einmal ins Wasser eingetaucht werden, um Informationen darüber zu erhalten, was darunter passiert.

Und was, wenn wir dieses Prinzip umkehren? Wellenbewegungen können nicht nur gelesen, sondern auch absichtlich erzeugt werden. Ein Unterwasser-Sender kodiert Informationen in einem Schallsignal, der Schall erreicht die Oberfläche und lässt sie leicht vibrieren, während der Radar über dem Wasser diese Vibrationen liest und die übertragenen Daten rekonstruiert. Tatsächlich entsteht so ein Kommunikationskanal von unter Wasser in die Luft ohne einen Relais auf der Oberfläche.

Kommunikation und Sensing beginnen hier zu verschmelzen: dasselbe Radiosignal kann Daten übertragen und gleichzeitig dem Netzwerk Informationen über die physische Welt um es herum geben.

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Natürlich entsteht 6G nicht im luftleeren Raum. In den letzten Generationen haben Mobilfunknetze gelernt, mit großen Antennenarrays zu arbeiten, gerichtete Signale zu bilden — Beamforming — und gleichzeitig viele Geräte zu bedienen. Und die Elektronik hat allmählich Frequenzen in den Bereichen von Dutzenden und Hunderten von Gigahertz erreicht, die zuvor hauptsächlich das Gebiet spezialisierter Ausrüstung und Laborversuche waren. Je kürzer die Welle, desto kleiner können die Antennenelemente sein — das heißt, sie können auf kleiner Fläche dichter angeordnet werden und die Richtung des Signals genauer steuern. Ein erheblicher Teil dessen, worauf 6G basieren soll, war somit bereits in 5G und 5G Advanced vorhanden.

Um jedoch 6G zum Laufen zu bringen, steht noch viel Arbeit bevor. Es werden Standards, Technologieprüfungen und eine Produktion benötigt, die es ermöglicht, viel benötigte Ausrüstung zu einem akzeptablen Preis herzustellen.

Wie genau 6G in unseren Telefonen im Jahr 2030 aussehen wird — ist eine offene Frage. Ich halte die Pläne für das Jahr 2030 weiterhin für etwas überheblich.