Der Weg zum Funkstandard 6G

6G - der zukünftige drahtlose Kommunikationsstandard

Ja, Sie haben richtig gelesen, die Fachwelt arbeitet nun intensiv am nächsten drahtlosen Kommunikationsstandard. Der 6G Standard wird gegen Ende des Jahrzehnts serienreif sein. Der 5G Standard ist seit einem Jahr serienreif und global unterschiedlich weit eingeführt. Am weitesten dabei sind Südkorea, China, die USA, und in Europa die nordischen Staaten inklusive Estland. Beim Ausrollen hat China wie immer eine hohe Geschwindigkeit vorgelegt. Ende März 2020 waren 200’000 Sendemasten in Betrieb, bis Ende Jahr sollen es 600’000 bis 1’000’000 sein. 50 Millionen 5G-Verträge wurden abgeschlossen. In Europa forciert neben der Telekommunikation die Industrie die Einführung.     Im Jahr 2020 erfolgt in mehreren Ländern der Übergang von der Testphase in die Anwendungsphase. Im Laufe des kommenden Jahrzehnts wird es einige Upgrades des Standards geben, so wie es auch bei 4G der Fall war, nämlich unter dem Begriff 4.5G. Als Ausbau für 5G habe ich schon von den Begriffen 5G+ (etwa 2023/24) und 5G++ (etwa 2026/27) gehört.

Als Entwicklungsstart für 6G kann man den 6G-Flagship-Kongress an der finnischen Universität Oulu im März 2019 mit etwa 400 Experten von der ganzen Welt bezeichnen. Als Resultat wurde im September 2019 das erste White Paper veröffentlicht, siehe https://www.oulu.fi/university/news/6g-white-paper . Im März 2020 fand der 2. Kongress statt, Covid 19 bedingt als Videokonferenz. Es wurde der Auftrag erteilt, bis im September 2020 zwölf «White Papers» zu unterschiedlichen Teilthemen zu erarbeiten. Weitere Informationen unter dem Kapitel zu 6G.

Geschichte der G Funkstandards

Wie hat sich die drahtlose Telefonie entwickelt? Siehe auch die beiden Übersichtsgrafiken unten.

In den 80er Jahren hat man auf der Basis des normalen analogen Telefonstandards (C-Netz) die ersten grossen klobigen Cell-phones (auch 1G bezeichnet) im Markt angetroffen. Die Geräte waren teuer und wenig verbreitet, sie dienten eher als Gag für Ausgeflippte.

In den 90er Jahren kamen die ersten digitalen, auch noch klobigen, 2G Cell-phones auf den Markt. Bei meinem Stellenantritt in Shanghai 1995 bekam ich als einer der ersten bei ZF ein aufklappbares Gerät, das den Anzugsveston einseitig herunter zog. Wahrscheinlich wollte die Firma mir, der über keine Chinesisch-Kenntnisse verfügte, ermöglichen, in der 15 Millionenstadt wenn nötig ein Notsignal abzusetzen. Mit dem Gerät konnte man Sprechen und SMS-Texte austauschen.

Mit dem 3G Standard zu Beginn des dritten Millenniums kam die Übertragung von Bildern und kleinen Filmen dazu.

Um 2010 wurde mit dem 4G Standard die Übertragung von Filmen komfortabel. Von nun an konnte man live Musik hören, fernsehen, Filme streamen, online spielen. Auch können grosse Datenfiles übertragen werden, allerdings nicht mit garantierter Übertragungszeit.

Jeder dieser Standards hatte verschiedene technische Grenzen. Den Normalanwender interessiert in der Vergangenheit hauptsächlich die maximale Übertragungsrate (Bandbreite), erst sekundär die Latenzzeit. Diese ist bei der menschlichen Kommunikation insofern nicht so wichtig, weil der Mensch Zeitabweichungen unter 100ms nicht wahrnimmt, und auch für das Hoch- und Herunterladen zum Hausgebrauch erfüllen 3G und 4G die Anforderungen.

Auch die Verbindungsdichte (mögliche Verbindungen pro km2) ist bei der individuellen heutigen Nutzung bei 4G noch nicht kritisch. Für die normale Kommunikation von Person zu Person genügen also die Leistungen von 4G im Prinzip. Das Argument für 5G, dass damit ein Film schneller heruntergeladen werden kann, ist nicht stichhaltig und zeigt mir, dass der wirkliche Zweck von 5G nicht verstanden wird. Eine gute 4 oder 4.5G Verbindung genügt, auch wenn die Filme immer in höherer Auflösung gesendet werden. Warum sollte in wenigen Sekunden ein stundenlanger Film heruntergeladen werden?

Die Standards (Normen) werden durch die ITU (International Telecommunication Union) verabschiedet. Die Norm «IMT2020» ist der 5G Standard, «IMT2030» wird der 6G Standard werden). Erarbeitet werden sie im Wesentlichen durch die 3GPP Gruppe (3rd Generation Partnership Project). Die Hauptpartner sind Europa (ETSI), USA, Japan, China, Südkorea, Indien und die grossen globalen Hersteller von Telekommunikationsanlagen.

In der Schweiz wird das 2G-Netz Ende dieses Jahr abgeschaltet. Einige Länder haben auch schon 3G abgeschaltet oder planen die Abschaltung in den nächsten Jahren. Wer noch ein uraltes Cell-phone nutzt, muss dann umstellen oder auf den toten Bildschirm starren. 

Warum denn also 5G?

Bei 5G (Standard «IMT2020») kommen neben der Sprach- und Bildkommunikation und dem allgemeinen nicht zeitkritischen Datentransfer neue grosse Anwendungsgebiete dazu.

• Sehr hohe Zuverlässigkeit und kurze Latenzzeiten (Antwortzeiten) für die Industrie 4.0 Anwendungen, Steuerung von Anlagen für medizinische Eingriffe, Prozesssteuerungen, Robotersteuerungen, autonomes Fahren für viele Arten von Vehikeln
• Anzahlmässig riesige Anwendungen im Bereich IoT (Internet of Things)
  Smart City, Smart Home and Building, Logistik-Steuerung und Tracking
• Massive Erhöhung des heutigen Datenvolumens und Bild Austausches,
  vermehrt in 3D, vermehrt Home Office, komplexe Games

Das folgende Bild zeigt die Anwendungsbereiche in einem einfachen Schema. Die heutige Hauptanwendung, die Telefonie, ist in diesem Bild nicht einmal mit einem Symbol separat aufgeführt.

Alle diese Anwendungen erfordern Leistungen, die 4G technisch nicht erfüllen kann. Für 5G wurden daher folgende Werte definiert:

• Höchste Verlässlichkeit (ultra reliability) von 99,9999%, z.B. für Anwendungen in der Medizin, autonomes Fahren, kritische Industrieprozesse, usw.
• Kurze Reaktionszeit (low latency) von unter 1 Millisekunde, denn Maschinen- und Roboterbewegungen betragen heute bis 10m/s (entspricht ~100km/h). In diesem Falle beträgt die Bewegung pro Millisekunde 10mm. Trotzdem muss die Endposition mit wesentlich reduzierter Geschwindigkeit angefahren werden, wenn Positionsgenauigkeiten von Mikromillimetern gefordert sind. Diese hochgenaue Steuerung wird erst mit 6G kommen.
  Der Mensch kann maximal Zeitdifferenzen von 100 ms feststellen, deshalb sind die heutigen Latenzzeiten in der Mensch zu Mensch Kommunikation genügend. Maschinen und Computer sind wesentlich schneller in der Aufnahme- und Reaktionszeit.

Dazu kommt, dass eine massive Verdichtung der Anzahl “Teilnehmer” vorausgesagt wird (man rechnet mit 70 Milliarden bis 2025, hauptsächlich Maschinen und Sensoren, weniger Personen), was die bisherige 4G Technik in folgenden Punkten überfordert:

• Maximale Datenaustauschmenge pro m2 (area traffic capacity)
• Maximale Verbindungen pro km2 (connection density)

Um auch den Energieverbrauch pro Verbindung wenn immer möglich stark zu reduzieren, braucht es eine komplett neue Technik für die Kommunikation zwischen den Sendestationen und den Empfängern. 5G verspricht eine 100 mal höhere Energieeffizienz. 4G sendet seine Signale rundum (360°) gleichmässig aus, mit viel Streuverlust. 5G dagegen peilt nur das gesuchte Cellphone direkt an und kommuniziert gerichtet.

Das folgende Spider Diagramm zeigt in verschieden Bereichen die Abweichung zwischen dem besten 4G Netz (IMT Advanced bzw. 4.5G) gegenüber den 5G (IMT2020) Anforderungen.

Die erforderlichen Verbindungsdichten werden exponentiell zunehmen, wenn nicht nur jeder Mensch, sondern viele Dinge (IoT) direkt im Netz kommunizieren.

Das gleiche geschieht mit den Datenmengen. Zur Überwachung und rechtzeitigen Wartung von Maschinen werden vermehrt elektronische Kopien der Anlagen parallel zum realen Betrieb mit Echtzeitdaten mitlaufen gelassen. Bei Bosch werden z.B. alle neueren Maschinensteuerungen von eigengebauten Sonderanlagen global zeitnah überwacht. Probleme, die man an einer Ecke der Welt feststellt, analysiert und korrigiert, können unmittelbar bei allen gleichen Maschinen weltweit behoben werden. Dies ist mehr und mehr bei vielen Produktionsanlagen standard. Auch bei Flugzeugen denkt man darüber nach, die Blackboxes durch simultane Aufzeichnung vieler Daten am Boden zu ersetzen, d.h. der Zustand wird in Echtzeit übermittelt, und das Suchen von Blackboxes nach einem Absturz entfällt. Die Wartungsleute bei der Fluggesellschaft und auch beim Hersteller sehen online, wie z.B. das Triebwerk arbeitet, und können die Wartung vornehmen, wenn sie notwendig ist, und nicht wie heute nach einem fixen Zeitplan. Dies erhöht die Sicherheit und reduziert die Wartungskosten.

Für Industrie 4.0 ist 5G unerlässlich. Unter Industrie 4.0 versteht man alle Projekte zur umfassenden Digitalisierung der industriellen Produktion und Logistik.  Es gibt viele Möglichkeiten, die Struktur des Vorhabens darzustellen. Hier ein Beispiel:

Im nachfolgenden Bild sind die 4 grossen Industrialisierungsschritte der Neuzeit dargestellt

Zum Beispiel - BOSCH

Mein früherer Arbeitgeber und jetziger Rentenzahler arbeitet an vorderster Front bei der Einführung von 5G und Industrie 4.0.

Andreas Müller, von Bosch ist Vorsitzender der internationalen Initiative „5G Alliance for Connected Industries and Automation“ (5G-ACIA).

In allen 4 Hauptbereichen/Geschäftsfeldern, in denen Bosch tätig ist, hat 5G eine zentrale Bedeutung.

Mobility Solution - der grösste Geschäftsbereich ist einer der globale Player, der sich autonomes Fahren auf die Fahne geschrieben hat. Bosch ist der grösste globale Automobilzulieferer und hat mit der Sensortechnik, Lenktechnik, Bremstechnik fast alles Inhouse, was zum autonomen Fahren gehört.

Industry Technology - Industrie 4.0, also die Bereiche

• Antriebs- und Steuerungstechnik
• Fabrikautomation
• Montageanlagen
• IoT Internet of Things

Energy and Building Technology – Smart Home, Smart Building und Smart City

• Energie- und Gebäudetechnik
• Heiz- und Klimasysteme
• Sicherheitstechnik

Consumer Goods - die Geschäftbereiche Power Tools

• Gartenpflege, z.B. auch Mähroboter
• Haushaltgeräte (unter mehreren Markennamen u.a. BOSCH, SIEMENS)
• IoT Internet of Things

Bosch will die Synergien nutzen und hat deshalb entschieden, die Informationstechnologien als Herz der internen Organisation und seiner Produkte zu sehen. Deshalb ist Bosch auch eine treibende Kraft in der internationalen Organisationen, die an der Standardisierung in diesen Bereichen mitarbeiten. Wie schon früher erwähnt befasst sich eine zentrale Forschungsabteilung mit KI «Künstliche Intelligenz»-Entwicklungen. Die Basistechnologien können dann für die verschiedenen Bedürfnisse der Geschäftsfelder angepasst werden.

Bosch hat in Deutschland eine eigene 5G Lizenz gekauft, nachdem Deutschland gegen den Widerstand der offiziellen Netzbetreiber für die Wirtschaft die Möglichkeit geschaffen hat, neben den «offiziellen» Providern eigene 5G Netze aufzubauen. BMW, Daimler, VW, Bosch und andere Konzerne haben 2019 Lizenzen gekauft. Damit können sie Netze nach ihren Bedürfnissen gestalten und aufbauen, inklusive der eigenen Datenschutzlösungen.

Die Firma hat sich entschieden, in einem Grossversuch ein Forschungszentrum und ein Produktionswerk intern komplett auf drahtlose Verbindungen mittels eines 5G Netzes aufzubauen. Dies erhöht die Flexibilität und verringert die Gebäudekosten. Es braucht nur noch die Rohgebäude, Böden mit Induktionsschleifen, um die Maschinen kabellos mit Strom zu versorgen, die Beleuchtung und die Klimaanlagen. Datenleitungen zu und zwischen den Arbeitsplätzen, Maschinen, Rechnern, Robotern, Montagelinien, usw. sind nicht mehr erforderlich.  Umstellungen gehen einfach und schnell - einfach abschalten, transportieren, neu hochfahren, und die Anlage kann wieder genutzt werden. All die Kabelkanäle und -Brücken und die 10’000 Datenleitungen entfallen. Siehe dazu auch die Bosch Webseite  https://www.bosch.com/de/stories/5g-industrie-4-0/
Im Umfeld dieser Webseite gibt es noch viele interessante Projekt für Neugierige im Technologiebereich.

Natürlich machen viele andere Konzerne, Firmen, KMUs und Start Ups ähnliches. Der Fokus und die Realisierungsgeschwindigkeiten sind unterschiedlich.

5G wird zur Blutader der modernen Welt. Ich hoffe, dass ich aufzeigen konnte, dass 5G wesentlich mehr ist als ein schnelleres 4G Netz für Smartphones.

Zum Thema Gesundheitssicherheit verliere ich hier nicht viele Wort. Die Frequenzbänder, die die kommenden 5G-Anwendungen nutzen sind ähnlich wie die von den heutigen 2, 3 und 4G Netzen. Die Frequenz von WLAN Netzen wie sie seit Jahren zuhause, bei der Arbeit und im öffentlichen Raum genutzt werden, liegen gar noch darüber. In der Schweiz betragen die maximalen Sendeleistungen nur 10 % von den von der WHO empfohlenen Grenzwerte.

Die ganzen Diskussionen sind gesellschaftspolitisch und basieren auf keinen sachlichen Fakten, ein eigentliches Tummelfeld von Fake News. Wir stehen an einem Punkt, an dem ein Teil der Gesellschaft die technologische Entwicklung nicht mehr weiter mitmachen will.

Wenn ich in die Geschichte schaue, hat es immer wieder Entwicklungen gegeben, die von Teilen der Gesellschaft abgelehnt werden. Ich denke an die Amischen in den USA (nördliche Staaten) und Kanada (Ontario), die sich im 19 Jh. von der modernen Gesellschaft abgekoppelt haben. Sie fahren heute noch mit ihren Pferdekutschen auf separaten Fahrstreifen neben den Autostrassen und nutzen auch in der Landwirtschaft und im Gewerbe keine motorgetriebenen Geräte. Vielleicht trennt sich in nächster Zeit die Gesellschaft in Europa auch in Gruppen mit unterschiedliche Geschwindigkeiten. Manchmal ist das Resultat katastrophal.  Der chinesische Kaiser Qing Liang zum Beispiel entschied sich im 19. Jahrhundert, nicht mit der europäischen Entwicklung mitzugehen und die technische Entwicklung nicht mitzumachen. Dem englischen Gesandten sagte er: «Wir haben alles was wir brauchen». Danach wurde China zuerst von den Europäern und dann von den Japanern beherrscht. Kehrt sich nun die Richtung der Entwicklung?  

Was ist das Ziel von 6G?

Die Entwicklung der letzten Jahrzehnte hat gezeigt, dass die Systeme nach etwa 10 Jahren ausgereizt sind und an ihre Grenzen kommen. Auch die Planung und Entwicklung bis zur Seriereife der jetzigen Systeme hat jeweils zirka 10 Jahre gedauert. Am 5G Standard hat man 10 Jahre in globalen Teams gearbeitet. Wenn sich heute jemand von 5G überrascht fühlt, hat er geschlafen.

Wie in der Einleitung erwähnt, wurde letztes Jahr mit dem Kick-off in Oulu die Entwicklung des 6G Systems bis 2030 gestartet. In der Phase zur Definition und Erstellung des Pflichtenhefts werden viele nationale und internationale Organisationen mitarbeiten. Die finnische Universität von Oulu ist zurzeit eine treibende Kraft, denn Nokia ist ein wichtiger Arbeitgeber in Finnland und einer der globalen Konzerne in der Kommunikationstechnologie und will dies auch in der Zukunft bleiben. Vor einigen Monaten hat auch China zwei voneinander unabhängige Expertenteams (von Universitäten und Firmen) ins Leben gerufen, die Konzepte erarbeiten sollen. Auch Japan und Südkorea haben offiziell 6G Teams gebildet. Von den USA habe ich nur eine Ankündigung von Präsident Trump gelesen, dass die USA beim 6G Projekt führend sein soll und nicht in der zweiten Liga spielen wolle wie bei 5G. Auf grosse US Aktivitäten bin ich noch bei mir zugänglichen Informationen noch nicht gestossen. Vielleicht arbeiten sie irgendwo im Stillen.

Irgendwann um 2024 sollten die Arbeiten unter die Schirmherrschaft der ITU (International Telekommunikation Union) kommen und bis 2026 zur Norm «IMT 2030» verarbeitet werden. Die Industrie wird dann die Basisversion von 6G fertig entwickeln und gegen Ende des Jahrzehnts einführen.

In der heutigen Phase werden einerseits Wünsche und Anforderungen der verschiedenen Stakeholder gesammelt. Dazu gehören:

• Telekommunikation inklusive Ersatz der heutigen Telefone durch Wearables, z.B. Brillen, Kleider, Uhren, …
• Industrie mit Industrie 4.0
• Mobility mit autonomem Fahren und weitere Anwendungen auf dem Boden, im Wasser und in der Luft (UAV: unmanned areal vehicle, Drohnen, Drohnenschwärme)
• Gesundheitswesen
• Energieversorgung
• Finanzbereich
• Öffentliche Sicherheit
• Landwirtschaft
• Lernen, inklusive maschinelles Lernen
• Erweiterte Unterstützung von KI (Künstliche Intelligenz), Mensch - Maschinenkopplung

Andererseits wird abgeschätzt, welche technischen Lösungen in 10 Jahren verfügbar sein werden, die zur Lösung beitragen können, oder wo noch dringend zusätzlicher Forschungsbedarf ist.

Im Folgenden nur stichwortartig einige Anforderungen, die ich aus dem aktuellen Stand der 12 Weissbücher (inzwischen über 600 Seiten) herausgepickt habe, in Klammern jeweils die Anforderung bei 5G:

• 6G soll die UNO Entwicklungsziele UN SDGs 2030 unterstützen.
• 6G soll die Anwendungen von 5G, WLAN, Bluetooth, … zusammenführen. Auch weitere bestehende drahtlose Kommunikationssysteme sollen wenn möglich integriert werden - Radio, Fernsehen, Funk all der Sicherheits- und Notfallorganisationen usw..
  Mich wundert es immer noch, dass die DAB-Radiotechnologie eingeführt wird und nicht direkt Internetradio. Seit 6 Jahren können wir dank Internetradio 10’000 Radiostationen hören, auch alle Schweizer. Nach meiner Meinung befürchten Staatssender, ohne eigenes Netz in die Bedeutungslosigkeit abzusinken, und die DAB-Gerätehersteller machen über Jahre noch gutes Geld. Jeder investiert daneben in eine Internetverbindung!
• 6G soll Übertragungsgeschwindigkeiten von 1 TB/s (0,02 TB/s = 20Gb/s) ermöglichen.
• 6G soll eine Latenzzeit kleiner von 100µs (1000 µs = 1ms) haben und Schwankungen der Latenzzeit (Jitter) sollen kleiner 1µs sein (Jitter in 5G nicht definiert).
• 6G soll eine Zuverlässigkeit von 99,9999999% bzw. 10-9 (10’000 genauer als bei 5G) haben.
• 6G soll Positionsgenauigkeiten von 1 cm ermöglichen
• 6G soll bis zu 100 Verbindungen pro m3 ermöglichen (Industrie und Fahrzeuge).
• 6G Kommunikation soll für bewegte Objekte bis zu einer Geschwindigkeit von 1200 km/h (500 km/h) möglich sein.

Dies Aufzählung soll für den Moment genügen, die Liste ist natürlich noch viel länger. Welche Forderungen es schliesslich in das endgültige Pflichtenheft schaffen ist offen. Das Ziel ist nicht ein bisschen besseres 5G zu schaffen, sondern wieder Quantensprünge zu realisieren. Für die Physiker und Ingenieure gibt es die Herausforderungen, eine Ordnung mit den vielen Datenströmen im Raum zu kreieren. Themen sind unter anderem Frequenzbänder, Art wie die Daten verpackt und adressiert werden, Netzwerkaufbau, holographische Methoden, etc.

Für uns als Anwender geht es zur Zeit noch darum, uns in die 5G Welt einzuleben, wobei jeder im Privatleben teilweise wählen kann, wie weit er die Angebote nutzt. Papier und Bargeld sind aber sicher auf dem Rückmarsch. Im Berufsleben werden sich die Anforderungen ändern. Die älteren Generationen dürften grössere Hürden zu überwinden haben und müssen heute schon einige Entwicklungsgenerationen mitverdauen.

Ab 2025 wird sich abzeichnen, welche neuen Forderungen in 6G realisiert werden sollen und ob die gewünschte technische Reife erreicht ist.

Anlage 1: Aktueller Stand der 6G Planung bei 6G Flagship der Uni Oulu als Beispiel einer Auslegeordnung.

Die aktuellen 12 Papers decken die folgenden Bereiche ab

1. 6G Drivers and UN SDGs
2. Validation and Trials for Verticals
3. Machine Learning in Wireless Communications
4. Networking
5. Broadband Connectivity for 6G
6. RF & Spectrum
7. Connectivity for Remote Areas
8. Business of 6G
9. Edge Intelligence (Darunter versteht man physisch naheliegende Rechnerkapizität zu nutzen)
10. Security and Privacy
11. Critical and Massive MTC (mass transfer coefficient) towards 6G
12. Localization and sensing

https://www.6gchannel.com/6g-white-papers/

Anlage 2: Ein kleines Beispiel der Vernetzung im Strassenverkehr

Das Fahrzeug kommuniziert nicht nur mit all den vielen Sensoren im eigenen Fahrzeug und natürlich teilweise mit dem Fahrer, sondern sehr intensiv in Echtzeit mit der Aussenwelt über Verbindungen, die als V2X (connection with everything) bezeichnet werden:

• V2V mit den Verkehrsfahrzeugen im Umfeld, auch mit noch nicht optisch sichtbaren. So kann z.B. ein Fahrzeug durch die Kamera eines anderen Fahrzeuges oder einer Überwachungskamera schauen und die durch Häuser verdeckte Verkehrssituation auf Nebenstrassen beurteilen.
• V2I mit den Verkehrssignalen, Verkehr Kameras, …
• V2N mit Verkehrsleitdiensten, Strassenzustandsvohersagen, Navigationssystemen, Fahrzeugherstellern, …
• V2P Verbindung mit allen Verkehrsteilnehmern im Umfeld, die Smartphones, Smartwatches, Smartbänder, usw. aktiviert haben

Die Fahrzeuge werden viel mehr wissen bezüglich des Verkehrsumfeldes als ein Fahrer heute, siehe auch folgende Grafik:

Die philosophische Diskussion, welche Person beim automatischen Fahren in einer Unfallsitutation überfahren werden soll, ist vor allem eine theoretische. Durch konstante Auswertung des Gesamtumfeldes sollte das Fahrzeug nie in die Situation kommen, sich zwischen zwei katastrophalen Optionen entscheiden zu müssen. 

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