5G- und 6G-Mobilfunk Die Antennen-Invasion

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In wenigen Jahren soll es bereits 3,5 Milliarden 5G-fähige Mobilfunkgeräte geben. Doch das ist erst der Anfang: Mit dem 6G-Standard sollen sich Städte schon wenig später endgültig in funkende Landschaften verwandeln. Das erfordert eine Infrastruktur mit unzähligen Antennen.

Derzeit wird in Deutschland zwar erst 5G ausgebaut, aber Forscher und Unternehmen entwickeln bereits die Technik der nächsten Generation. 6G, so heißt es nun, bringe erst das, was man sich vom Vorgänger versprochen habe: Highspeed-Internet mit schwindelerregenden Übertragungsraten für neuartige, datenintensive Anwendungen. Der Preis dafür ist eine neue Infrastruktur mit einer schier unvorstellbaren Anzahl an kleinen Funkzellen, die überall um uns herum unsichtbar verteilt sind.

Eine schnellere Kommunikation zwischen Geräten und Antennen erreicht man, indem man für die Datenübertragung höhere Frequenzen nimmt. Die wiederum bestehen aus Wellen - die Berge und Täler solcher Wellen vermitteln die digitalen Informationen. Sie werden von Rechnern in Zahlen, Texte oder audiovisuelle Inhalte zurückübersetzt. 6G-Mobilfunknetze nutzen als Träger die sogenannten Terahertz-Wellen. Optimisten erhoffen sich damit Übertragungsraten von bis zu einem Terabit pro Sekunde. Geht man davon aus, dass ein durchschnittlicher Netflix-Film in guter Qualität ungefähr fünf Gigabyte an Daten belegt, könnte man sich nun etwa 25 Filme in einer Sekunde auf sein Mobilgerät laden. Theoretisch. Praktisch teilen sich meist viele Nutzer eine Funkzelle - sie könnten in einem städtischen Park also gleichzeitig Videos streamen.

Autos, Kleider, Brillen - alles vernetzt. Was kommt nach dem Mobiltelefon?

Aber das ist nicht die einzige Hoffnung. In einem Werbefilm stellt Finnland, das mehr als 200 Millionen Euro in 6G-Forschung investiert, eine andere Zukunftsvision vor: Eine schwangere Frau fährt in der Bahn. Sie schaut auf ihre Handfläche, auf der ein Interface projiziert ist. Indem sie über ihre Hand wischt, bedient sie es, als wäre ihre Haut ein Touchscreen. Sie schickt Daten über ihren Gesundheitszustand an einen Arzt oder eine Hebamme. Die Daten stammen aus der intelligenten Kleidung, die ihren Körper in Echtzeit überwacht.

Künstliche Intelligenz, haptische Interfaces, intelligente Produktion, Telepräsenz in Form von Holographie und nicht zuletzt das autonome Fahren: Die IT-Branche lebt von solchen Visionen, und 5G scheint ihr dafür nicht mehr genug zu sein. Forscher betrachten den Fortschritt etwas nüchterner, aber auch sie erhoffen sich von 6G einen Durchbruch insbesondere für einen intelligenteren Verkehr.

„Autonomes Fahren ist in der Tat eine der Hauptanwendungen, die wir momentan sehen“, sagt Ivan Ndip vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin. „Autonomes Fahren bedeutet nicht, dass jedes Fahrzeug für sich alleine fährt, ein Ziel ist letzten Endes die Anzahl der Unfälle zu reduzieren.“

Dafür müssten die Autos enorme Datenmengen miteinander austauschen, ebenso mit der Infrastruktur sowie anderen Verkehrsteilnehmern, etwa Fußgängern. Wenn zum Beispiel ein Wagen auf ein Hindernis zurast und eine Vollbremsung macht, dauert es relativ lange, bis der zweite Fahrer reagiert und ebenfalls bremst. In Zukunft kann das erste Auto bei Erkennung des Hindernisses alle anderen Wagen warnen, damit diese sofort bremsen oder eine andere Route nehmen können.

„Es braucht viele Daten aus Radar, Kamera und weiteren Sensoren, und daher reichen die paar Gigabit pro Sekunde von 5G nicht“, sagt Ndip. Es sei ja nicht nur so, dass die Wagen in Echtzeit miteinander kommunizieren, sie fungieren auch als Hotspots für die Menschen in den Autos, die ihre mobilen Geräte für Arbeit und Unterhaltung nutzen, wodurch zusätzliche Daten entstehen.

Leben oder Tod? Im Straßenverkehr können Sekundenbruchteile entscheiden

Eine Anwendung wie das autonome Fahren darf sich keine größeren Latenzen erlauben. Latenzzeiten entstehen bei der Verarbeitung der Funksignale. Damit die IT-Infrastruktur mit großen Datenmengen zurechtkommt, werden Daten in einem Puffer gespeichert, bis sie weiterverarbeitet werden können. Bei der vierten Generation LTE betragen die Latenzen etwa 15 bis 20 Millisekunden.

So viel Zeit vergeht also zwischen dem Moment, in dem wir zum Beispiel im mobilen Browser auf einen Link klicken, bis der Klick ausgeführt wird. Bei 5G liegen die Latenzen unter fünf Millisekunden, bei 6G erhoffen sich die Forscher weniger als 100 Mikrosekunden. Das ist 50 Mal schneller als der Flügelschlag einer Biene. Im Straßenverkehr kann im Ernstfall eine Verzögerung von Millisekunden über Leben und Tod entscheiden.

Aber die verwendeten Terahertz-Wellen haben einen großen Nachteil: Sie liegen näher am Infrarotlicht als an Mikrowellen, deshalb verhalten sie sich ähnlich wie Licht - sie können Mauerwerk nicht durchdringen. Ein Baum kann die Übertragung ebenso stören. Zwar kann man die Reflexionen gezielt nutzen, um eine Übertragung an einem Hindernis vorbeizulenken, aber es kommt noch erschwerend hinzu, dass die Wellen nicht sehr weit reichen. Regen und Nebel schränken sie weiter ein. Somit wird vermutlich kein Weg daran vorbeiführen, eine Stadt mit unzähligen Empfängern auszustatten, womöglich in Abständen von unter 100 Metern.

Die Empfänger können in Ampeln und Laternen verbaut werden, wie das bei 5G teilweise schon geschieht, aber viel häufiger. Und womöglich werden sie zusätzlich ein fester Bestandteil von künftiger Architektur sein. Die Aufgabe der Empfänger ist es, die Signale in unmittelbarer Umgebung an die nächstgrößere Funkzelle weiterzuleiten, die dann an ein Glasfasernetz angeschlossen ist. Die Empfänger müssen klein und günstig herzustellen sein, zudem sollten sie mit wenig Energie auskommen.

Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben bereits einen preiswert herzustellenden Terahertz-Empfänger entwickelt. Er beruht auf einer einfachen Diode, mit der das Signal gleichgerichtet wird. Den Forschern gelang es damit, 115 Gigabit pro Sekunde über eine Distanz von 110 Metern zu übertragen. „Der entscheidende Fortschritt war, dass wir mit einer simplen Diode überhaupt ein Datensignal empfangen können, das in der Phase moduliert ist“, sagt Institutsleiter Christian Koos. Das Problem bei einem Datenempfang mithilfe einer einzelnen Diode sei, dass sich nur die Amplitude der Terahertz-Welle, also die Höhe der gleichgerichteten Wellenberge, messen lässt. Allerdings nutzt man bei der Datenübertragung auch die Phase, also die Position des Wellenbergs innerhalb des Zeitstrahls, zum Codieren von Information.

Die KIT-Forscher haben dies gelöst, indem sie eine bestimmte Signalklasse verwenden, ein sogenanntes analytisches Signal, bei dem sich die Phase aus der Amplitude des gleichgerichteten Signals zurückrechnen und damit die eigentliche Information rekonstruieren lässt. Der Vorteil: Die Diode ist klein und kostengünstig - wichtige Voraussetzungen für den 6G-Einsatz.

Originalveröffentlichung auf SZ.de vom 16.02.21.

* Boris Hänßler ist freier Technikjournalist mit Schwerpunkt Informationstechnik, insbesondere Roboter, Künstliche Intelligenz, Virtuelle Realität und Mensch-Maschinen-Interfaces.

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