„Beyond 5G“: 100 GBit/s dank Künstlicher Intelligenz

Im EU-Projekt Ariadne suchen elf Partner nach Lösungen, wie sich hohe D-Band-Frequenzen optimal für 5G nutzen lassen. Vielversprechend sind verstellbare Reflektor-Metaoberflächen und ein KI-gesteuertes Netzmanagement, das Probleme nicht nur erkennt und darauf reagiert, sondern diese sogar vorhersehen und abwenden kann.

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Anders als seine Vorgänger soll 5G in spätere Ausbaustufen auch hohe Frequenzen oberhalb von 6 GHz nutzen können, zum Beispiel zwischen 24 und 30 GHz, aber auch im D-Band weit über 100 GHz. Dies soll für hohe Übertragungsraten sorgen und – zumindest im Campusbetrieb – für nahezu latenzfreie Verbindungen. Doch es gibt auch Nachteile: Laut dem Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörperphysik, kurz IAF, sind solche Systeme meist als Richtfunkanlagen ausgelegt, also für eine direkte Sichtverbindung (Line of Sight, kurz LOS) – Sender und Empfänger müssen sich „sehen“ können. Ein Problem gerade in dicht bebauten Umgebungen, etwa in Städten.

Probleme bereitet lokalen 5G-Netzwerken zum Beispiel der Auslöschungseffekt: Hier wird ein per LOS übertragenes Signal parasitär über Reflexionen kopiert. Die Kopie überlagert das Nutzsignal, kann es sogar auslöschen, so dass es nicht beim Empfänger ankommt. Diese Mehrwegeausbreitung über eine Nicht-Sichtverbindung (Non-Line-of-Sight, kurz NLOS) bleibt bei 5G, wie auch schon bei seinem Vorgänger 4G, eine echte Herausforderung.

5G-Netze müssen schlauer werden

Das EU-Projekt Ariadne („Artificial Intelligence Aided D-band Network for 5G Long Term Evolution”) verfolgt daher das Ziel, diese LOS- und NLOS-Szenarien besser beherrschbar zu machen und die Zuverlässigkeit von Mobilfunkverbindungen deutlich zu verbessern.

Ariadne vereint Partner aus Forschung und Industrie aus fünf Ländern. Ziel ist die Entwicklung einer energieeffizienten und zuverlässigen Mobilfunkkommunikation auf Basis von Frequenzen im D-Band (130-174,8 GHz). Da das D-Band eine aggregierte Bandbreite von mehr als 30 GHz aufweist, eignet es sich hervorragend für den schnellen Datenverkehr. Laut Fraunhofer IAF ist dieses neu genutzte Band allerdings in mehrere nicht zusammenhängende Teilbänder unterteilt, was eine Anpassung der bislang eingesetzten Funk-Systemarchitektur und der entsprechenden Netzsteuerung erforderlich macht.

Durch Kombination einer neuartigen Hochfrequenz-Funkarchitektur sowie einem neuen, auf künstlicher Intelligenz (KI) basierendes Netzverarbeitungskonzept soll ein intelligentes Kommunikationssystem „Beyond 5G“ entstehen. Bis 2022 möchte das Projektkonsortium eine Funkverbindung mit Datenraten im 100-GBit/s-Bereich und „einer Latenz nahe Null“ realisieren und demonstrieren. Die Europäische Union fördert das Projekt im Rahmen des Programms Horizon 2020.

Bauelemente für eine verlässliche D-Band-Verbindung

Ariadne vereint drei große Forschungsbereiche: die Entwicklung von Hardware-Komponenten, die Erforschung von Metaoberflächen sowie die Anpassung der Netzsteuerung auf Basis von künstlicher Intelligenz bzw. maschinellem Lernen.

Bei der Entwicklung der benötigten Hardware-Komponenten bringt das Fraunhofer IAF seine Kompetenzen aus dem Bereich der Hochfrequenzelektronik ein: Gemeinsam mit den Partnern entwickeln die Freiburger neue Funktechnologien für die Kommunikation im D-Band. „Unser Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von neuen Funkmodulen mit höchster spektraler Effizienz, die die Frequenz-Diversität ausnutzen und eine Steuerschnittstelle für die Optimierung im Netz bereitstellen“, sagt Dr. Thomas Merkle, Forscher und Projektkoordinator auf Seiten des Fraunhofer IAF, „erstmals soll dabei unsere neue 20-nm-InGaAs-HEMT-Technologie auf Silizium eingesetzt werden.“

Meta-surfaces: Verstellbare Reflektoren lenken Funkwellen

Um Netzstörungen bei NLOS-Verbindungen zu vermeiden, werden in Ariadne Metaoberflächen (meta-surfaces) und ihr Beitrag zu einer Optimierung der Funkverbindung erforscht. Metaoberflächen sind verstellbare Reflektoren für Funkwellen. Diese sollen Netzsteuerungsproblemen in urbanen Gebieten entgegenwirken. Wenn zwischen Basisstationen auf den Hausdächern und den Nutzern in den Häuserschluchten keine Sichtverbindung herrscht, sollen Metaoberflächen Funkwellen reflektieren und damit die Ausbreitung außerhalb der Sichtverbindung gewährleisten. Die Steuerung der Metaoberflächen soll über einen zentralen Netzcontroller erfolgen. Aktuell im Fokus der Fraunhofer-Forscher stehen sogenannte „Reflect Arrays“ – kleine Metaoberflächen an Antennen, die der Strahlschwenkung und -bündelung dienen.

„Das Konzept der Metaoberflächen wird für 5G bereits teilweise umgesetzt, allerdings bislang nur für niedrige Frequenzen“, sagt Merkle. Je höher die Frequenz der Funkverbindung, desto feiner müssten die Mikrostrukturen an der Oberfläche sein, „für Frequenzen im D-Band sind die Strukturen sehr aufwendig in der Herstellung“. Aus diesem Grund forscht das IAF-Projektteam an Metaoberflächen, die sich für die hohen Frequenzen eignen und industriell produzieren lassen.

KI-basierte Netzsteuerung

Eine weitere Kernkomponente der Beyond-5G-Initiative ist Maschinelles Lernen (ML) beziehungsweise KI: Sie soll das zentrale Netzmanagement befähigen, bei jeder Wetterlage eine konstant zuverlässige Funkverbindung bereitzustellen. Bislang werden größtenteils klassische mathematische Verfahren für die Mobilfunksteuerung genutzt.

In Ariadne sollen hingegen KI-basierte Algorithmen zur Lösung von Problemen der Funkkommunikation zum Einsatz kommen. Während beim maschinellen Lernen eine fundierte Datenanalyse das Ziel ist, soll mithilfe von KI ein System zur Netzsteuerung entwickelt werden, das Probleme nicht nur erkennt und darauf reagiert, sondern diese sogar vorhersehen und abwenden kann.

Ziel: Stabile Datenraten im Bereich um 100 GBit/s bei jedem Wetter

Finales Ziel der Projektpartner ist es, die einzelnen Projektbausteine in einem Testsystem zusammenzubringen und die Funktionalität zu demonstrieren. Am Ende des Projektes wollen sie zwei Demonstratoren als Ergebnis ihrer Forschungsarbeiten präsentieren: Der erste Demonstrator soll eine bei allen Wetterbedingungen zuverlässige Verbindung über 100 Meter mit einer Datenrate von 100 GBit/s erreichen.

Der zweite Demonstrator soll als Proof-of-Concept im Labor zeigen, wie eine Metaoberfläche die Ausbreitungsbedingungen für eine Funkübertragung in der Umgebung verbessern kann. So soll die Funktionsweise von Metaoberflächen bei hohen Frequenzen im Labor bewiesen werden. Die Software-Entwicklung soll zu dem Zeitpunkt aufzeigen, dass das auf KI basierte Netzsteuerungssystem die Zuverlässigkeit über das gesamte D-Band-Netz erhöhen und die Steuerung von Metaoberflächen gewährleisten kann.

5G kommt aufs Land

Weitere 5G-Testumgebung entsteht in Karlsruhe

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