Warum brauchen wir 6G und was sind Herausforderungen?

Obwohl 6G viel verspricht, ist es unwahrscheinlich, dass 6G bald zum Alltag gehören wird, obwohl mehrere wichtige Unternehmen und Länder bereits mit der 6G-Forschung begonnen haben. Die Schwierigkeiten liegen nicht nur in der THz-Technologie, sondern auch in der Identifizierung von Anwendungen, die die Einführung von 6G vorantreiben werden. Analysten wie z. B. IDTechEx gehen davon aus, dass 6G nicht vor 2028 Fuß fassen wird.

6G wird ein Spektrum oberhalb von 100 GHz nutzen und schließlich den THz-Bereich erreichen. Die Vorteile des Einsatzes einer so hohen Frequenz liegen auf der Hand: Es kann eine riesige Bandbreite genutzt werden, die einen Spitzendatenfluss von Tbps mit einer Latenzzeit von Mikrosekunden ermöglicht. Die Nutzung eines derartigen Hochfrequenzspektrums unterliegt jedoch mehreren Einschränkungen.

Zunächst ist das Frequenzband zu betrachten. Von 5G ist bekannt, dass das Sub-6-GHz-Band Band (3,5 bis 6 GHz) und das Millimeterwellenband (mmWave, 24 bis 100 GHz) die beiden neuen Frequenzbereiche sind, die abgedeckt werden. 6G berücksichtigt die Frequenzbereiche von 7 bis 20 GHz, das W-Band (über 75-110 GHz), das D-Band (110 GHz bis 175 GHz), Bänder zwischen 275 GHz und 300 GHz sowie den THz-Bereich (0,3-10 THz). Die Bänder zwischen 7 und 20 GHz werden in Betracht gezogen, weil eine Abdeckung notwendig wird, die mobile und „on the go“-Anwendungen für zahlreiche 6G-Anwendungsfälle ermöglicht. Die W- und D-Bänder sind sowohl für 6G-Zugangs- als auch für Xhaul-Netze (z. B. Fronthaul, Backhaul) von Interesse. Eine Lösung, die den Zielen beider Dienste gerecht wird, ist zu erwägen. Ab September 2022 gehen die weltweiten Frequenzzuteilungen nicht über 275 GHz hinaus. Dennoch wurden Frequenzbänder im Bereich 275 bis 450 GHz für die Implementierung von Mobilfunk- und Festnetzanwendungen sowie für Radioastronomie, Satelliten zur Erderkundung und Weltraumforschung im Bereich 275 bis 1000 GHz identifiziert.

Eine der größten Herausforderungen besteht darin, dass das THz-Signal in der Luft erheblich gedämpft wird, was die Übertragungsreichweite einschränkt und es leicht durch Hindernisse blockiert werden kann. Da die physikalischen Gesetze nicht ignoriert werden können, besteht das wichtigste Element bei der Entwicklung eines Geräts für die Hochfrequenzkommunikation darin, genügend Energie bereitzustellen, um eine angemessene Übertragungsreichweite zu erzielen, selbst als Teil einer Antennengruppe.

Die Wahl der richtigen Halbleiter zur Vergrößerung der Verbindungsreichweite ist das wichtigste Element. CMOS eignet sich für Geräte, die unter 150 GHz arbeiten, insbesondere für Systeme, die für die Kommunikation über kurze Entfernungen notwendig sind (für größere Entfernungen kann die Verwendung anderer Halbleiter wie SiGe oder III-V für Leistungsverstärker erforderlich sein). Bei Frequenzen über 200 GHz wird jedoch eine Kombination aus CMOS für die Logik und III-V-Transistoren für rauscharme Verstärker und Leistungsverstärker der richtige Weg sein. Die SiGe-BiCMOS-Technologie bietet derzeit den besten Kompromiss in Bezug auf Leistung, niedrige Kosten und einfache Integration für Frequenzen von 200 GHz bis 500 GHz. InP könnte die ultimative THz-Technologie sein und sich für Anwendungen eignen, bei denen die Kosten nicht die Hauptrolle spielen.

Zu den weiteren aktiven Forschungs- und Entwicklungsbereichen neben den Halbleitertechnologien gehören die Suche nach sehr verlustarmen Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante und geringem Tan-Verlust, um erhebliche Übertragungsverluste zu vermeiden, die Entwicklung einer neuartigen Gehäusemethode, bei der die HF-Komponenten eng mit den Antennen verbunden sind, sowie die Bewältigung von Leistungs- und Wärmeproblemen, da die Geräte immer kompakter und komplexer werden.

Um die Einführung neuer Technologien voranzutreiben, ist es essenziell, wichtige Geschäftsanwendungen zu identifizieren. Obwohl die Netzbetreiber die überlegene Leistung von 5G mmWave anpreisen, ist der mmWave-Markt trotz der jahrelangen Kommerzialisierung von 5G noch nicht in Schwung gekommen. Der Grund, den die meisten Befragten laut IDTechEx nennen, ist das Fehlen von Anwendungen, die nur mit mmWave und keiner anderen Technologie möglich sind. Die gleiche Frage wird auch zu 6G gestellt: Warum wird es benötigt?

Aus Sicht des Verbrauchers ist eine Datenverbindung im Tbps-Bereich und eine Latenzzeit im Mikrosekundenbereich, für die er eine höhere Abonnementgebühr zahlen muss, wahrscheinlich nicht attraktiv, wenn die Anwendungen auf seinen mobilen Geräten so ziemlich die gleichen sind wie die, die er jetzt hat. Es wurde schon viel über den Hype um das Metaverse gehört, das durch 5G und 6G ermöglicht wird, aber es fehlen noch immer die realen Anwendungsfälle, die eine breite Akzeptanz fördern könnten. Es sollte jedoch nicht vergessen werden, dass 6G über einzigartige Fähigkeiten in den Bereichen Sensorik, Bildgebung, präzise Positionierung usw. verfügen wird.

Diese Eigenschaften eröffnen weitere geschäftliche Anwendungsfälle und ermöglichen den Einsatz von 6G in Bereichen jenseits der mobilen Kommunikation, was die fortgeschrittene Digitalisierung und Automatisierung verschiedener Branchen weiter vorantreiben kann. So können 6G-Netze beispielsweise für die genaue Wahrnehmung und zentimetergenaue Positionierung von mobilen Robotern zum Einsatz kommen, was die Fähigkeit zur Fernsteuerung von mobilen Robotern zum Aufnehmen und Tragen verschiedener Objekte demonstriert. Gleichzeitig ermöglicht diese Übertragungsstrecke auch die drahtlose Hochgeschwindigkeitsübertragung von hochauflösenden Echtzeitvideos zwischen dem mobilen Roboter und dem Steuergerät, was die Integration von Synästhesie ermöglicht. Mit der Erweiterung des Spektrums über 275 GHz hinaus gibt es weitere interessante Anwendungsfälle, wie z. B. die Nutzung von THz-Verbindungen als drahtlose Verbindungen zum Ersatz von Glasfaserkabeln in Rechenzentren, die rekonfigurierbares Routen und die Verringerung der Größe von Server-/Router-Racks ermöglichen, was natürlich eine erhebliche Kostenreduzierung mit sich bringt.

Eine wesentliche Änderung von 6G gegenüber früheren Kommunikationsgenerationen besteht darin, dass es nun auch nicht-terrestrische Netze umfassen wird. Dies ist eine wichtige Entwicklung, die es ermöglicht, herkömmliche 2D-Netzarchitekturen im 3D-Raum zu nutzen. Low Altitude Platforms (LAPs), High Altitude Platforms (HAPs), unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) und Satelliten sind Beispiele für nicht-terrestrische Netze (NTNs). Im November 2020 schickte China den ersten 6G-Satelliten der Welt ins All. Im Jahr 2022 testete Huawei die NTN-6G-Netze mit LEO-Satelliten (Low Earth Orbit). Immer mehr Aktivitäten in diesem Bereich zeigen, dass NTN-Netze ein wichtiger Entwicklungstrend sein werden.

Der Beitrag beruht auf Material von IDTechEx.