Vernetzte Fahrzeuge auf einer Autobahn

Für die Vision der vollautonomen Mobilität reicht der aktuelle 5G-Standard nicht aus. Bild: Song_about_summer/Adobe Stock

Das Netz für eine mobile Kommunikation autonom fahrender Autos untereinander oder auch für kollaborierende Roboter in der Fertigung muss eine sehr hohe Zuverlässigkeit, extrem geringe Latenz und hohe Datenraten bieten. Ein Fall für 5G. Oder? Zunächst schon. Doch Forscher entwickeln bereits die sechste Mobilfunkgeneration, die all das noch viel besser vereint – das könnte der entscheidende Antrieb für vollautonomes Fahren sein.

Wie mit 6G Echtzeitdatenübertragung möglich wird

Fraunhofer-Forscher Ivan Ndip erklärt, was 6G von seinem Vorgänger unterscheiden wird: das Fünfzigfache der Datenrate und ein Zehntel der Latenz von 5G. In Zahlen: Während 5G eine Datenrate von bis zu 20 Gigabit pro Sekunde und eine Latenz von etwa einer Millisekunde bietet, soll 6G ein Terabit pro Sekunde und eine Latenz von etwa 100 Mikrosekunden schaffen. So wird der Begriff von (unkomprimierter) Echtzeitdatenübertragung mit Inhalt gefüllt. Oder wie Ndip es formuliert: „6G kommt, um die Erwartungen zu erfüllen, die 5G geweckt hat.“ Er muss es wissen, denn er leitet am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM die Abteilung RF & Smart Sensor Systems und war maßgeblich an der Entwicklung von Hardwarekomponenten sowie Modulen für 5G Millimeterwellen beteiligt. Jetzt geht er mit seinem Team in die nächste Runde.

Wie auch Wolfgang Kellerer, Projektleiter des 6G Zukunftslabors Bayern an der TU München, das als größtes universitäres Forschungsprojekt zum Thema in Deutschland gilt. „Für das 6G-Netz streben wir eine Ausfallsicherheit von 99,999999999 Prozent an“, steckt er das Ziel ab. Entwickler von autonomen Fahrzeugen werden das gerne hören. Wie auch Robotiker, für die Ausfallsicherheit und geradezu mikroskopische Latenzen Grundbedingungen sind, damit sie auf dem Shopfloor Produktionsroboter aus ihren Käfigen lassen. „Schließlich könnte eine falsche Reaktion schon binnen Sekundenbruchteilen dazu führen, dass der Roboter jemanden verletzt oder etwas zerstört“, so Kellerer.

Netzwerk und Sensorik arbeiten smart zusammen

Mit 6G kehrt zudem künstliche Intelligenz ins Mobilfunknetz ein, durch die es sich selbst permanent optimieren kann. „Es soll so flexibel und anpassungsfähig sein, dass es zum richtigen Zeitpunkt an der richtigen Stelle die benötigte Leistung zur Verfügung stellt“, betont Kellerer. 6G werde die erste Mobilfunkgeneration sein, bei der das Netz und Sensoren zusammenarbeiten, etwa jene von Robotern und autonomen Fahrzeugen.

Kellerer: „Dabei kann das Netz erstmals auch selbst zum Sensor werden, weil wir anhand der Funksignale bestimmte Informationen gewinnen können, etwa ob sich ein Objekt zwischen Sender und Empfänger befindet.“ Aus diesen Informationen könne sich die künstliche Intelligenz ein Bild der Umgebung des Nutzers und der benötigten Kommunikationsleistungen machen – um daraufhin wiederum das Netz zu optimieren.

Warum 5G für selbstfahrende Autos nicht ausreicht

Und wieder wird klar, warum das Netz zum Gamechanger auf dem Weg zum autonomen Fahren auf Level 5 werden könnte: Vollautonomes Fahren ist vor allem ein kollektiver Akt, verdeutlicht Ndip. Seine Position muss ein Fahrzeug anderen Verkehrsteilnehmern in Echtzeit mitteilen, ebenso schnell auf Hindernisse reagieren und sich natürlich permanent ein exaktes Bild von der Umgebung machen – bis hin zum Schlagloch, dem es möglichst ausweichen sollte.

 

"Mit 5G wird echtes autonomes Fahren wahrscheinlich gar nicht möglich sein" – Ivan Ndip, Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM 

 

Kurzum: Eine umfassende Sensorik liefert massiv Daten, die blitzschnell verarbeitet und geteilt werden müssen. Ndip: „Es müssen aber auch Up- und Downloads in Echtzeit erfolgen: So werden zum Beispiel Stadtpläne in sehr hoher Auflösung heruntergeladen. 20 Gigabit pro Sekunde reichen für all diese Prozesse bei Weitem nicht aus.“ Mit anderen Worten: 5G stößt an klare Grenzen. „Daher sind wir der Meinung, dass mit 5G wahrscheinlich echtes autonomes Fahren gar nicht möglich sein wird“, sagt Ndip, „Dabei wissen wir noch nicht einmal, ob die Spezifikationen, die wir heute für 5G haben, überhaupt erfüllt werden.“ Die notwendige kollektive oder vernetze Intelligenz existiere noch nicht.

5G vs. 6G – die Unterschiede:

Das Frequenzspektrum: Bis 4G spielte sich die gesamte Mobilkommunikation im Sub-6-GHz-Bereich ab. In 5G sind es 26 GHz, 28 GHz und 39 GHz. In 6G soll es in den Terahertz-Bereich gehen, voraussichtlich im D-Band (0,11 THz bis 0,17 THz). Darüber hinaus könnte 6G auch VLC (Visible Light Communication) verwenden, einen optischen Kommunikationsansatz für die Nahbereichskommunikation, bei dem sichtbares Licht zwischen ungefähr 400 und 800 THz verwendet wird.

 

Die Datenrate: Es wird erwartet, dass 5G eine Spitzendatenrate von etwa 20 Gigabit /Sekunde erreicht, wobei 6G eine Spitzendatenrate von mehr als 1 Terabit/Sekunde bieten soll. Es gibt auch einen signifikanten Unterschied zwischen der Datenrate pro Benutzer: In 5G werden ungefähr 100 Megabit/Sekunde erwartet, während es für 6G etwa 1 Gigabit/Sekunde sein sollen.

 

Die Latenz: Es wird erwartet, dass 5G eine Latenz von ungefähr 1 Millisekunde und höher aufweist. 6G würde weit weniger als eine Millisekunde, voraussichtlich 100 Mikrosekunden, erreichen.

 

Einen weiteren für die Autoindustrie interessanten Anwendungsfall sieht der Forscher in Digital Twins, also virtuellen Abbildern von Maschinen, Produkten und Prozessen. Mit 6G könnten durch die digitalen Dubletten reale Fahrzeuge oder Produktionsanlagen ohne zeitlichen oder räumlichen Verzug überwacht und analysiert werden.

Wo sich noch Hürden auf dem Weg zu 6G auftun

Klar, das wird noch dauern. Der Fraunhofer Forscher erwartet, dass die neue Mobilfunkgeneration erst im Jahr 2030 marktreif sein wird. Bis dahin sind noch einige Hürden zu überwinden. Allein schon soft- und hardwareseitig gibt es viel zu tun, da 6G mit Frequenzen im Terahertz-Bereich arbeiten soll: „Noch nie wurden solche Frequenzen für die Mobilkommunikation verwendet“, betont Ndip. Herausfordernd ist zudem, die hohe Dämpfung der Frequenzen durch vergleichsweise banale Hindernisse wie Bäume oder Wände in den Griff zu bekommen, wofür sich Mehrantennen-Architekturen mit hunderten Antennen pro Mobilfunk-Basisstation anbieten.

Insgesamt zehn Jahre Entwicklungszeit scheinen also durchaus angemessen. Etwa fünf Jahre vor der Einführung werden die Spezifikationen festgelegt, dann könnten Trials folgen, erklärt der Forscher. Doch dann wird es endlich losgehen mit dem superschnellen Mobilfunk – und Anwendungen, die man heute noch für kaum machbar hält.

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