Das 6G-Netz folgt auf 5G ab 2030

Das 6G-Netz folgt auf 5G für die digi-reale Welt

Autor: Josef Frick

Das 6G Netz soll ähnlich wie ein Bienenstock funktionieren. Der Bienenstock ist die Antenne mit zig-tausend winzig kleiner steuerbarer Einzelantennen. Die Blüten sind Sensoren, die Bienen auf direktem Weg anlocken. Der Stempel der Blüte ist die Gegenantenne. Die Bienen surren mit höchstmöglicher Frequenz ohne Umweg mit den Datenpaketen zwischen den Antennen. Das funktioniert im geschlossenen Raum einer Mega-Factory perfekt. Wenn aber im Freien dicke Regentropfen den Pendelverkehr stören, ist viel Kreativität gefragt. Das wird eine der Herausforderungen in die neue 6G-Netz-Welt, die ab 2030  on-air sein soll.

Warum aus 5G bald 6G wird

Für das mobile Surfen reicht 5G. Die deutsche Herausforderung ist das Schließen von Netzlücken. 6G ist für neue Anwendung in der Industrie, der Medizin, der Logistik und in der Steuerung der Mobilität dem Internet der Dinge (IoT) und in der privaten wie militärischen Sicherheitstechnik vorgesehen. Die finale Ausbaustufe für 5G wird 2024 erreicht sein. Doch die Branche ist sich einig, dass 5G-Advanced nicht in der Lage sein wird, die Kernanforderungen der Zukunft zu erfüllen.

• Stromsparende Low-Performance-Anwendungen
• Echtzeitanwendungen mit höchster Verfügbarkeit und kürzester Signallaufzeit mit nahezu beliebig vielen Teilnehmern / Geräten
• Höchster Datenschutz und die Nutzung beliebiger lokaler Rechnerkapazitäten als Gegengewicht zum Cloud-Computing
• Wenn alle zehn Jahre ein neuer Mobilfunk-Standard kommt, können Sie 6G im Jahr 2030 erwarten

Die Industrie 4.0 wird viel schneller, vernetzt und präziser produzieren

Die Mega-Factory ist auf Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Präzision getrimmt. Die Steuerung eines Produktions-Robotors ist mit 5G machbar. Für die Orchestrierung einer Mega-Factory darf der Netzwerk-Speed durch die Bandbreitenteilung vieler Akteure nicht leiden. Ein kurzzeitiges Ruckeln des Datenflows darf einfach nicht passieren. Viele Roboter arbeiten simultan an einer Aufgabe, sprich vernetzt. Kein einzelner Akteur darf hinterherhinken, sonst droht der Crash oder mindestens ein Timeout. Die Genauigkeit von Arbeitsschritten im Feinmotoriker-Modus muss hoch präzise sein, wenn man wesentlich schneller als die alte 5G-Welt sein will.

Die Spitzendatenrate von 6G wird 500-mal schneller als 5G sein

In der Spitze schafft ein 5G-Netz eine Datenrate von 20 Gbit/s. Bei 6G werden 1TBit/s erwartet, also 1.000 Gbit/s oder 500-mal mehr als 5G. In der Breite mit sehr vielen Maschinen wird es auf eine hohe durchschnittlich verfügbare Datenrate ankommen. Das ist bei 5G 100 Mbit/s. Bei 6G erwarten Entwickler 10-mal mehr, also 1 Gbit/s.

Je schneller und je mehr Teilnehmer sich in einem komplexen Netz bewegen, desto mehr kommt es auf die Reaktionszeit an. Die Signallatenz addiert sich bei 1.000 Netztransfers im 5G Netz bis zum letzten Glied einer Kette schon mal auf eine Sekunde. Das wäre im Straßenverkehr eine Katastrophe. Auch bei einer Produktionskette in einer vernetzen Fabrik würden Latenzzeiten von 1 ms den Output ausbremsen. Bei einer Signallatenz von 0,1 ms gibt es bei 1.000 per Netz koordinierter Einzelaufgaben eine Reaktionszeit an die letzte Kette von nur einer zehntel Sekunde. Das hat zur Folge, dass mit 6G eine Produktion so gut wie in Echtzeit gesteuert werden kann. Konkret laufen die Einzelaufgaben wie in einem geschlossenen mechanischen Uhrwerk gut ineinander. Cloud-Rechner sind bei diesen Aufgaben außen vor, weil die Latenzzeiten zu hoch sind.

Die Zuverlässigkeit der Datenübertragung wird mit 6G wesentlich erhöht

Bei einem 5G-Netz liegt die Zuverlässigkeit der fehlerfreien Übertragung eines Datenblockes bei 99,999 %. Wenn man dabei an die Steuerung einer Fabrik oder eines Autobahnabschnittes denkt, hat man kein gutes Gefühl. Konkret bedeutet dieser Prozentwert, dass einer von 1.000 übertragenen Datenblöcken einen Übertragungsfehler haben kann. Bei einem 6G Netz soll die Zuverlässigkeit wesentlich besser sein und zwar bei 99,99999 %. Fehlerhaft ist dann nur noch jeder 100.000-ste Datenblock. Ob dabei ein fehlendes Zeichen die Funktion überhaupt beeinträchtigt, kann sein, muss aber nicht.

Die Wissenschaft erwartet eine Teilnehmerdichte von 10 Mio. bei gleichzeitiger Nutzung eines 6G-Netzes. Bei 5G teilt sich die Bandbreite auf maximal 1 Mio. Teilnehmer gleichzeitig. Die Herausforderung ist, dass eine ultrakurze Wellenlänge nicht mehr streut. Liegt ein Hindernis zwischen Sender- und Empfängerantenne wie ein paar dicke Regentropfen, ist die Übertragung gestört. Deshalb werden die Netzarchitekten den Datentraffic über verschiedene Frequenzen splitten müssen. Dass ein Netzbetreiber nur seine eigene Frequenz nutzen kann, ist keine gute Idee. Jeder Netzbetreiber wird auch die Frequenzen der Wettbewerber nutzen müssen.

6G registriert die Position eines Teilnehmers oder einer Antenne viel genauer

Wie genau kann die Position eines 6G-Netz-Teilnehmers oder einer Antenne ermittelt werden? In einem herkömmlichen 5G-Netz liegt die Messgenauigkeit bei 20 cm oder mehrere Meter im 2D Raum. Sie spüren dies bei der Navi-Ansage im Auto, die schon mal etwas zu spät sein kann. Einen Einfluss dabei hat auch die Teilnehmergeschwindigkeit, die bis maximal 500 km/h arbeitet. In einem 6G-Netz rechnet man mit einer maximalen Teilnehmergeschwindigkeit von 1.000 km/h. Der wesentliche Vorteil bei der Erreichbarkeit bei einem 6G Netz ist die dritte Dimension. So kann eine Antenne bis auf 1 cm genau im 3D-Raum erfasst werden.

Nicht mehr Sendeleistung, sondern eine höhere Wellenfrequenz

Die hohen Übertragungsraten von Daten wird durch eine hohe Wellenfrequenz erreicht. Das deutsche Unternehmen Rhode & Schwarz forscht im Frequenzbereich zwischen 100 und 320 GHz. Unbekanntes Neuland ist der Terahertz-Bereich, der echtes 6G ermöglichen wird. Neben den Sendewellen wird auch sichtbares Licht und Infrarot in die 6G-Umsetzung einfließen. Technisch gesehen ist diese Leistungsklasse nur per Richtfunk zu realisieren. Dabei wird die Gegenstelle mit einem eng gebündelten Wellenstrahl angefunkt. Das 6G-Netz ist deshalb nicht nur ein Funk- sondern auch ein Sensornetz. Welche Technologien dazu verwendet werden, ist noch nicht ausdiskutiert.

Milliarden Miniantennen für die kurzen Wellenlängen

Für die schnellen und kurzen Wellenlängen werden Milliarden minikleiner Antennen benötigt. In einer Basisstation werden bis zum 60.000 dieser Winzlinge zu einer Gruppenantenne kombiniert. Die Endgeräte werden über individuelle Richtstrahlen angesteuert. Möglicherweise können Sie über reflektierende Wände auch um die Ecke funken. Auf jeden Fall wird ein Teilnehmer oder ein IoT-Gerät punktgenau angesteuert. Die Miniantennen müssen in der Lage sein, ihre geringe Betriebsenergie selbst zu erzeugen. Man spricht von Energy Harvesting. RFID-Antennen in der Chipkarte holen sich die Energie von Sender. Die Miniatursensoren der neuen 6G Welt tanken eigene Energie vom Licht, vom Wind der Bewegung oder neuen Formen der Energieübertragung. Auf jeden Fall sind Batterien und Stromkabel tabu.

Künstliche Intelligenz und Datentechnik

Konventionelle Datentechnik taugt nicht für Speed bei der schnellen Datenübertragung. Wir predigen auf unseren Seiten fast in jedem Beitrag unser Standard-Thema SEO Technik. Unsere Website ist mit einem extrem schlanken Code programmiert. Konkret ist dabei der Header der Website schlank. Wenn Sie eine Seite mit dem Mobilphone aufrufen, wird nur das geladen, was konkret für die Seitenansicht benötigt wird, der Rest folgt nach. Deshalb funktioniert auch eine Megaseite mit dem Telefon in einem 4G-Netz so gut wie unterbrechungsfrei.

Wenn 6G Forscher von einer zwingend erforderlichen schlanken Datentechnik sprechen, verwenden Sie gut klingende Begriffe wie KI. Die Basis von KI ist eine schlanke Datentechnik, die es jetzt schon gibt. Natürlich werden 6G Netze noch mehr können. Die Energieschleuder Cloud-Nutzung beim Aufrufen von Websites oder der lokalen Kommunikation wird abgeschafft. 6G ist energietechnisch superschlank. Das wird mit einer verteilten Rechenleistung in unmittelbarer Nähe der Anwendung wesentlich besser funktionieren. Edge-Computing ist die Alternative zum verschwenderischen Umweg über den Atlantik beim Cloud-Computing. Standard-Anwendungen dürfen keine Zeit und Energie verschwenden. Bei einer verteilten Rechenleistung prognostiziert KI den Energiebedarf und holt diesen auf Devices vor Ort über das 6G Netz.

Höchste Datensicherheit ist bei einer verteilten Rechenleistung Voraussetzung

Der Datenschutz ist neben der Erforschung des Terahertz-Bereichs ebenso wichtig. Aktuell glauben Experten, mit dezentralen Blockchain-Technologien eine sichere Nutzung von Rechner-Ressourcen realisieren zu können. Wir glauben das nicht, weil die Blockchain-Technik das Gegenteil von schlank ist. Nicht alles, was gerechnet wird, muss auch gespeichert werden.

Der Rechenweg kann nach dem Ergebnis entfallen. Wenn Sie nach der Ansage, rechts abbiegen Ihre Entscheidung treffen, sind Ihre Entscheidungen vor fünf, zehn oder 60 Minuten nicht mehr wichtig. Wir müssen uns vor dem Zwang befreien, jedes Detail zu speichern. Wenn die Servicekosten sinken, werden geschätzt 90 % der Dienstnutzer auf eine gespeicherte Historie verzichten. Konkret müssen Rechenleistungen per Edge-Computing beispielsweise auf weiteren Handys in der Wagenkolonne nicht gespeichert werden. Man müsste nur das Lesen unmöglich machen und automatisiert nach x-Sekunden löschen. Statt Rechenzentren von Amazon oder Google verdienen Besitzer von Handys und Laptops.

Telemedizin-Operationen werden mit 6G sicher möglich

3D Aufnahmen von Operationsbereichen sind sehr datenintensiv. Wer über hochauflösende holografische Repräsentanten aus der Ferne operieren möchte, braucht die volle Auflösung und extrem schnelle Reaktionszeiten der OP-Werkzeuge am Patienten. 5G kann diese Anforderung nicht leisten, 6G schon. Für die Telemedizin ist 6G mit seinen Echtzeitfähigkeiten und höchst zuverlässigen Übertragungsbandbreiten wie geschaffen. Zum Verständnis: Der Chirurg aus der Ferne sieht einen digitalen Zwilling, also ein holographisches 3D-Bild. Das hat nichts mit einer Video-Übertragung zu tun. Durch die minimale Signallatenz von 0,1 ms erfolgt der Eingriff in Echtzeit.

Techniker verbrennen sich keine Finger mehr

Der Stillstand einer Produktionsanlage ist für jeden Hersteller ein kleines Desaster. Um die produktiven Zeiten von Maschinen zu erhöhen, führen Techniker vorbeugende Wartungen bei Erreichen von definierten Livetime-Zeiten durch. Trotzdem sind nicht planbare Instandsetzungen erforderlich. Technikerjobs sind anspruchsvoll und nicht besonders beliebt. Bis zu 50 % der Einsatzzeiten verbringen Service-Techniker im Auto. Dann gibt es Druck von Seiten der Kunden und vom Arbeitsschutzgesetz. Der Techniker muss seine Instandsetzung innerhalb gesetzlich bestimmter Zeiten inkl. Rückfahrt abschließen, um Gesetz und Arbeitsvertrag einzuhalten.

6G kann die Arbeit eines Notfall-Technikers wesentlich entspannen. Bei einem entsprechenden Ersatzteillager beim Kunden, kann der Techniker einen Wartungsrobotor steuern. Maschinenteile lädt der Techniker als 3D-Modell in seine Holo-Lens und tauscht Teile wie in echt. Selbst wenn Bauteile noch heiß sind, verbrennen sich Techniker keine Finger mehr. Wartungszeiten werden verkürzt und Stress auf der Straße wird wesentlich reduziert. Schafft ein unerfahrener Techniker die Instandsetzung nicht, kann er on demand von einem Level 1, 2 oder 3 Kollegen unterstützt werden. Die Ausfallzeiten von wartungsintensiven technischen Anlagen können durch 6G deutlich reduziert werden.

6G Mobilfunk wird sicherheitskritische Situationen im Verkehr meistern

Mit 5G können komplexe Situationen im Straßenverkehr nicht gesteuert werden. Die Signalübertragungen für Geschwindigkeit und Sicherheitsmaßnahmen bei unvorhersehbaren Einflüssen müssen jederzeit in Echtzeit erfolgen. Die Position eines Fahrzeuges muss punktgenau auch in Bewegung erfasst werden können. Für diese Anforderung ist 5G auch in der höchsten Ausbaustufe nicht geschaffen. Es ist eine Mess- und Sicherheitstechnik auf wesentlich höherem Niveau erforderlich, was 6G leisten wird.

Smart-Home und Smart-City dürfen nicht an leeren Batterien und laschen Sicherheitshürden scheitern

Wer jetzt ein Haus mit Smart-Home-Ausstattung baut, braucht Kilometer an Netzwerkkabeln und Stromleitungen. Das ist nicht smart. Wer sein bestehendes Haus für Smart-Funktionen nachrüstet, kämpft mit völlig ungleichmäßiger Netzabdeckung. Meldet sich der Paketbote, ist oft von Kommunikation keine Rede. Dabei sind keine Sprachbarrieren gemeint, sondern Wackelverbindungen, die mal funktionieren, mal eben nicht. Und was passiert nach zwei oder drei Jahren, wenn dummerweise die Batterie an einem Regler versagt? Müssen vor dem Urlaub noch mal schnell alle Batterien vorsorglich getauscht werden?

Wie sieht es mit der Datensicherheit aus? Was bekommt beispielsweise der Hersteller der zufallsgesteuerten Rollos mit? Wo bestehen potenzielle Sicherheitslücken? Smart-Home und Smart-City sollten in den neuen 6G-Zeiten so ab 2030 anders funktionieren. Die Netzabdeckung ist bestens.

3D Antennen auch digital gedruckt

Die Mini-Antennen brauchen keine Batterien, keinen Stromanschluss und kein W-LAN-Kabel. Die Transformation der Welt zur Industrie 4.0 ist mit Innovationen bereits in vollem Gange. So ist NanoDimensions bereits mit Lösungen im Markt, um industrielle Elektronik digital zu drucken. Digital gedruckte 3D Antennen sind eine vergleichsweise simple Lösung.

Die Bereitstellung einer Wissensdatenbank für 3D-gedruckte Elektronik wird das Herzstück einer völlig neuen Branche sein, der Electronic Designers Community für 3D gedruckte Elektronik.

6G mit einer länderspezifischen Sicherheitsarchitektur

Es gibt keine weltweit gültigen DIN-Normen für  6G-Standards, aber die ersten Protagonisten diskutieren Standards.  Die Sicherheitsarchitektur ein besonders heißes Eisen. Mit dem Kompromiss, der als weltweiter Standard gültig sein soll, dürfen sich Deutschland und seine engsten europäischen Partner nicht begnügen. Je mehr die Wirtschaft von einem 6G-Netz profitieren soll, desto höher müssen die Anforderungen an die Sicherheitsarchitektur der neuen Netzwerke sein. Konkret macht 6G nur dann Sinn, wenn die gewählten Sicherheitstechnik aus einem Partnerland kommt, auf das andere Länder von außerhalb dieses Netzwerks keinen Zugriff haben.

Der 6G-Standard und der deutsche Netzwerk-Standard müssen unabhängig voneinander sein. Dabei wird bestenfalls 6G ein internationaler Standard und die Netzwerk-Sicherheit ein frei wählbarer Zusatzstandard. Bei einer Website-Architektur würde man von einem Plugin sprechen. Dass Teile der diversen Netzwerkarchitektur miteinander kommunizieren können müssen, ist klar. Dazu gibt es Bestrebungen wie die O-RAN Alliance, die Standardisierungen vorantreibt. Die Verschlüsselungstechnik datenschutzrelevanter Inhalte muss aber höchst individuell geregelt werden können.

Weil ein Regentropfen den 6G-Richtfunk unterbrechen kann, ist eine Kombination mit Lichttechnik notwendig

Je höher die Frequenz eines 6G-Richtfunks, desto genauer fliegen die Datenpakete zwischen den exakt ausgerichteten Miniantennen. Ein Regentropfen ist dabei ein unüberwindbares Hindernis. Jetzt kommt Elon Musk ins Spiel mit seinem Starlink-Projekt. Er baut nicht nur ein laserbasiertes Satelliten-Internet, sondern stellt nebenbei auch Twitter auf neue Beine: ein werbefreies Meinungsportal, das kein unfreundlicher Staat aussperren kann. Wer als kleinste Einheit seines Denkens die Welt im Auge hat, der kooperiert.

Update: 6G-Tests in Japan mit 100.000-fachem Speed des 5G-Netzes

Scott Foster ist Analyst bei LightStream Research in Tokio. Er berichtet in der in Hongkong erscheinenden Asia-Times, dass die Japaner und Nokia zu den Treibern der neuen 6G Technologie gehören würden. 

Weltweit erste Übertragung von 1 Petabit pro Sekunde

Das japanische Network Research Institute am National Institute of Information and Communications Technologie (NICT) gab jetzt die weltweit erste erfolgreiche Übertragung von 1 Petabit pro Sekunde bekannt. Ein Petabit entspricht einer Billiarde Datenbits oder einer Million Gigabit. Die NICT-Übertragung war um 100.000-mal schneller als ein 5G Netz. Das Unfassbare bei dieser Demonstration war, dass ein Standard-Glasfaserkabel verwendet wurde. Ein Highspeed-Internet hätte dabei keine Verzögerungszeit bei vorhandener Infrastruktur.

Übertragungstechnik soll auf KI-Drahtlos-Technik übertragen werden

Nun folgen Versuche, die petabitschnelle Übertragungstechnik auf KI-Drahtlos-Technik zu übertragen. Wenn alles klappt, werden bisherige Träume bei weitem übertroffen. 6G wird gleichzeitig Hochgeschwindigkeit, große Kapazitäten und niedrige Latenzfähigkeiten bieten und das bei extrem niedrigen Stromverbrauch. Nokia soll dabei die KI-native 6G-Luftschnittstelle bereitstellen. NEC und Fujitsu werden verteilte MIMO-Geräte (Multiple-Input Multiple-Output) bauen. Dabei werden gleichzeitig Signale übertragen und getrennt, die von mehreren Antennen empfangen werden. Hindernisse wie Regentropfen sind dadurch keine Hindernisse mehr.

Die Verbindungshalbleiter werden schneller

Verbindungshalbleiter mit Galliumnitrid (GaN) und Indiumphosphor (InP) sollen Verbindungshalbleiter schneller machen. Fujitsu will diese drahtlose Hochfrequenzgeräte entwickeln. Das japanische Konsortium scheint weltweit die Nase vorn zu haben, da alle Expertisen der gesamten Lieferkette an Bord sind.

Der Bitcoinkurs resigniert vor der kommenden 6G Highspeed-Technologie

Bis die Quantencomputertechnik marktreif ist, sollte der Wert des Bitcoin nicht wackeln. Doch bereits heute, am 13. Juni 2022 rauscht der Bitcoinkurs fast senkrecht nach unten. Ein Quantencomputer in den falschen Händen ist gar nicht mehr notwendig, um die Bitcoin-Verschlüsselung zurück rechnen zu können. Das Aus droht jetzt durch die erfolgreichen Tests aus der 6G-Technologie. Dabei geht es nicht nur um irre schnelle Funknetze, sondern auch um Glasfaserübertragungen mit der bereits vorhandenen Netz-Infrastruktur. Weil der Bitcoinkurs dermaßen abrauscht, halten wir die Analyse von Scott Foster für realistisch.

Welche Rolle spielen superschnelle Chips beim neuen 6G-Standard?

Diese Frage können Sie sich selber beantworten, wenn Sie die Subventionen von China und den USA für die Entwicklung von extrem schnellen Halbleitern im eigenen Land beobachten. Die schnellsten Chips und die schnellsten Netze sind der Schlüssel für jede Zukunftstechnologie.

FAQ – 6G Netz

Sie wollen Insights erfahren über das kommende 6G Netz? Dann finden Sie hier kurz und knapp die wichtigsten Informationen

Für wen ist ein 6G Netz nützlich?

Für Mega-Factories, für Echtzeitanwendungen mit höchster Verfügbarkeit, für stromsparende Low-Performance-Anwendungen ist ein super schnelles 6G Netz eine Voraussetzung. Für die Handynutzung zum Telefonieren, Surfen oder Spielen ist ein schnelles 6G Netz nicht erforderlich.

Was sind die zwei größten Vorteile bei einem 6G Netz?

Ein 6G Netz überträgt bis zu 10 x mehr Daten pro Sekunde. Mega-Factories profitieren davon. Die Reaktionszeit (Latenz) geht auf 1 Millisekunde runter. Beim autonomen Fahren soll eine Software beim Bremsen schneller reagieren als ein Rennfahrer.

Was bringt ein 6G Netz für das Smart-Home?

6G Antennen sind winzig und erzeugen ihre Energie autonom. Ein 6G Architektur braucht keine Cloud. Durch die Nutzung von Rechnerkapazitäten im Handy und Rechnern in der Nähe (Edge-Computing) gewinnt die Datensicherheit und Hacker haben keine Zugriff auf die Smart-Home-Technik.

Warum ist 6G eigentlich eine Funktechnik?

Bei einem 6G-Netz werden Information punktgenau über tausende Miniantennen übertragen. Die Ortung von Sender und Empfänger ist die Voraussetzung, wobei sich der Empfänger auch sehr schnell bewegen kann. Die 6G Funktechnik nutzt dazu sehr hohe Übertragungsfrequenzen, die wenig Energie benötigen.

Was ist die größte Herausforderung beim 6G Netz?

Das 6G Netz nutzt hohe Sendefrequenzen. Der Informationsfluss wird dabei gebündelt und läuft punktgenau zwischen Sender und Empfänger. Die Sendeenergie ist sehr niedrig, weil ohne Streuung. Hindernisse wie Regentropfen können die Übertragung stören.