Überblick über die globale 6G-Forschung und -Entwicklung

01Übersicht

Die Mobilkommunikationstechnologie hat sich mittlerweile zur fünften Generation (5G) weiterentwickelt. Während 2G/3G grundlegende mobile Verbindungen ermöglichten, sorgte 4G, die am weitesten verbreitete Technologie, durch die Popularität von Smartphones und Tablets für enorme Datenübertragungsraten und veränderte den Lebensstil der Nutzer. 5G hat bereits vor seiner vollständigen Markteinführung große Aufmerksamkeit erregt. Ziel ist es nicht nur, das Nutzererlebnis zu verbessern, sondern auch die Mobilkommunikation mit verschiedenen Branchen zu verknüpfen und so das Geschäftsfeld der Mobilkommunikation deutlich zu erweitern. Obwohl sich 5G weltweit noch in der Anfangsphase des Ausbaus befindet und die Zusammenarbeit mit Branchen erst begonnen hat, wird die Technologie mit zunehmender Reife des Ausbaus und der Dienste dem Mobilkommunikationsmarkt sicherlich neuen Aufschwung verleihen und die Digitalisierung verschiedener Branchen und der gesamten Gesellschaft beschleunigen.

Obwohl die Systemindikatoren und -fähigkeiten von 5G deutlich verbessert und die Anwendungsszenarien zunehmend vielfältiger geworden sind, bestehen weiterhin Einschränkungen. Mit Blick auf die Zukunft gibt es nach wie vor starke Triebkräfte für die kontinuierliche Weiterentwicklung mobiler Kommunikationsnetze. Zum einen werden diese durch neue Technologien wie künstliche Intelligenz, Blockchain, Cloud Computing und andere Informations- und Kommunikationstechnologien sowie neue Materialien, Antennen und Verfahren vorangetrieben. Zum anderen führt die stetige Weiterentwicklung der Nachfrage, bedingt durch die Entwicklung diversifizierter Endgeräte und den steigenden Digitalisierungsgrad in verschiedenen Branchen, zu Diensten wie Holografie, immersivem XR, taktilem Internet und intelligenten Fabriken. Diese erfordern nicht nur Verbesserungen bei traditionellen Leistungsindikatoren wie Geschwindigkeit, Latenz, Verbindungsanzahl und Abdeckung, sondern bringen auch neue Anforderungen an Wahrnehmung, Positionierung und Sicherheit mit sich. Daher wird die Forschung zu Vision, Bedarf und Technologie der nächsten Generation mobiler Kommunikation kontinuierlich vorangetrieben. Aufgrund der tiefgreifenden Veränderungen und des zusätzlichen wirtschaftlichen Nutzens, den 5G für die Gesellschaft mit sich bringt, messen wettbewerbsorientierte Länder und Industrieketten weltweit der Mobilkommunikationstechnologie große Bedeutung bei. Nicht nur große Normungsorganisationen, die Wissenschaft und sogar viele relevante nationale Institutionen und Branchen haben mit Vorforschungen begonnen, mit dem Ziel, in den nächsten zehn Jahren, also bis 2030, ein ausgereiftes technisches System zu schaffen, um in der Lage zu sein, neue Geschäftsanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die eigene Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern.

Mit Fokus auf die nächste Generation der Mobilkommunikation, nämlich das 6G-System, werden in diesem Artikel der Forschungshintergrund und die damit verbundenen Fortschritte wichtiger globaler Standardisierungsorganisationen, regionaler und nationaler Organisationen sowie universitärer Forschungseinrichtungen dargestellt, die aktuellen potenziellen Technologierichtungen auf drahtloser und Netzwerkseite sowie die damit verbundenen technischen Vorteile analysiert und schließlich der Fortschritt von 6G zusammengefasst und Überlegungen zur 6G-Vision und zur allgemeinen Entwicklungsrichtung angestellt.

02Globaler Forschungsstand zu 6G

2.1 Internationale und regionale Organisationen

2.1.1 Internationale Fernmeldeunion (ITU)

Die Studiengruppe 13 des Telekommunikationsstandardisierungssektors (ITU-T SG13) der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) widmet sich der Forschung zu zukünftigen Netzwerken und gründete im Juli 2018 die Netzwerk-Fokusgruppe NET-2030, um den Bedarf an Netzwerkdiensten für das Jahr 2030 und darüber hinaus zu untersuchen. Die Fokusgruppe besteht aus drei Untergruppen: Anwendungsszenarien und -anforderungen, Netzwerkdienste und -technologien sowie Architektur und Infrastruktur. Im Jahr 2019 veröffentlichte sie zwei Whitepaper, die sich auf Anwendungsszenarien und neue Dienstfunktionen des Netzwerks von 2030 konzentrieren. Darin wurden verschiedene neue Szenarien wie das holografische und taktile Internet sowie aktuelle Netzwerklücken und Dienste vorgeschlagen, die in zukünftigen Netzwerken besondere Aufmerksamkeit erfordern.

Darüber hinaus startete die 5D-Arbeitsgruppe des Funkkommunikationssektors (ITU-R WP5D) der ITU im Februar 2020 in Genf, Schweiz, ihre Forschungsarbeit für 6G und die Zukunft ab 2030. Auf diesem Treffen wurde ein vorläufiger Forschungsplan für 6G erstellt, der Berichte zu zukünftigen Technologietrends, Visionen für zukünftige Technologien und weitere wichtige Planungspunkte umfasst. Die ITU begann im Rahmen dieses Treffens mit der Erstellung des „Berichts zu zukünftigen Technologietrends“, dessen Fertigstellung für Juni 2022 geplant ist. Der Bericht beschreibt die technologische Entwicklung von IMT-Systemen nach 5G, einschließlich der IMT-Weiterentwicklungstechnologie, Technologien mit hoher spektraler Effizienz und deren Implementierung. Darüber hinaus ist geplant, den „Vorschlag für eine Zukunftsvision der Technologien“ in der ersten Hälfte des Jahres 2021 zu veröffentlichen und bis Juni 2023 fertigzustellen. Dieser Vorschlag enthält die übergeordneten Ziele des IMT-Systems für 2030 und darüber hinaus, wie beispielsweise Anwendungsszenarien und die wichtigsten Systemfunktionen. Derzeit hat die ITU den Entwicklungsplan für den 6G-Standard noch nicht festgelegt.

2.1.2 Institut für Elektro- und Elektronikingenieure (IEEE)

Im August 2018 startete das IEEE die Forschung zu zukünftigen Netzwerken mit dem Ziel, „5G und darüber hinaus zu realisieren“. Am 25. März 2019 fand in Finnland der weltweit erste vom IEEE gesponserte 6G Wireless Summit statt. Zahlreiche Vertreter aus Industrie und Wissenschaft präsentierten die neuesten Erkenntnisse und Innovationen zu 6G und diskutierten die theoretischen und praktischen Herausforderungen, die für die Umsetzung der 6G-Vision bewältigt werden müssen. Die Konferenzbeiträge und -berichte behandelten viele Technologien, darunter 6G-Szenarien, Millimeterwellen und Terahertz-Technologie, intelligente Verbindungen, Edge-KI, drahtlose Maschinenkommunikation und vieles mehr. Der zweite 6G Wireless Summit fand 2020 online statt und bot Keynote-Vorträge, Fachvorträge und Demonstrationen von Vertretern aus Industrie, Netzbetreibern, Forschungseinrichtungen und anderen relevanten Akteuren. Der 6G Summit ist eine globale Technologieveranstaltung, die durch die gemeinsamen Anstrengungen verschiedener Branchen die Vision und Entwicklungsrichtung von 6G präzisieren soll.

2.1.3 Third Generation Partnership Project (3GPP)

Die aktuelle 3GPP-Version R17, die sich noch in Entwicklung befindet, stellt eine Weiterentwicklung und Verbesserung der 5G-Funktionen dar. Die Bedarfsgruppe SA1 hat jedoch bereits Projekte für zukünftige Dienste wie Smart Grids und taktile Kommunikation initiiert, was einen reibungslosen Übergang zur nächsten Generation mobiler Kommunikationssysteme ermöglichen dürfte. Nach aktuellem Stand und den bestehenden Plänen wird 3GPP voraussichtlich in R19 (2023) mit der Arbeit an der 6G-Vision, -Technologie und -Anforderungen beginnen und die 6G-Standardisierung in R21 oder später starten.

2.1.4 6G-Flaggschiff

Das 2019 gegründete 6G Flagship-Projekt, gefördert von einem finnischen Konsortium unter der Leitung der Universität Oulu, hat sich zum Ziel gesetzt, standardisierte Kommunikationstechnologie mit nahezu sofortigen, unbegrenzten drahtlosen Verbindungen bereitzustellen. Im September 2019 veröffentlichte es das Whitepaper „Key Drivers and Research Challenges for 6G Ubiquitous Wireless Intelligence“, das zunächst Fragen dazu beantwortete, wie 6G das Leben der Menschen verändern wird, welche technischen Merkmale es aufweist und welche technischen Herausforderungen es zu bewältigen gilt. Der Inhalt umfasst die Vision von 6G, die treibenden Kräfte, Anwendungen und Dienste. Der Forschungsschwerpunkt im Bereich drahtlose Kommunikation liegt auf künstlicher Intelligenz, neuem autorisierungsfreiem Zugriff, Signalformung, analoger Modulation, großflächigen intelligenten Oberflächen usw. Auch die Fortschritte und Herausforderungen bei drahtloser Hardware werden analysiert. Der Forschungsschwerpunkt im Bereich Netzwerktechnologie liegt auf dem Aufbau von Vertrauensketten.

2.2 Nationale Perspektive und Layout

2.2.1 Fehler

Die Europäische Union startete 2017 eine Konsultation zum Forschungs- und Entwicklungsprojekt für die Mobilfunktechnologie der sechsten Generation (6G) mit dem Ziel, die 6G-Technologie bis 2030 zu kommerzialisieren. Parallel dazu initiierte die EU ein dreijähriges Forschungsprojekt zur 6G-Grundlagentechnologie. Dessen Hauptaufgabe ist die Erforschung von Vorwärtsfehlerkorrekturverfahren der nächsten Generation sowie fortschrittlicher Kanalcodierungs- und Kanalmodulationsverfahren für 6G-Kommunikationsnetze. Die EU-Organisation Horizon 2020 wird zudem ein 6G-Forschungsprojekt zu „intelligenten Netzen und Diensten“ starten, das sich derzeit in der Vorstudie und Demonstrationsphase befindet.Darüber hinaus fördert die EU aktiv Universitäten und Forschungseinrichtungen, darunter das Nationale Technische Forschungszentrum Finnlands und die Universität Oulu, die sich auf zukünftige Anwendungsszenarien und technische Richtungen wie Terahertz, drahtlosen Breitbandzugang, Edge Intelligence und Codecs konzentrieren.

2.2.2 Fehler

Die US-Regierung misst der 6G-Technologie große Bedeutung bei und investiert weiterhin in die Bereiche Terahertz- und Boden-Luft-Technologien. Im März 2019 legte die FCC die Frequenzverteilung im Terahertz-Band (95 GHz bis 3 THz) für die USA fest. Sie geht davon aus, dass sich 6G in Richtung Terahertz-Frequenzbereich entwickeln wird. Mit zunehmender Netzwerkdichte gewinnen drei Schlüsseltechnologien – dynamische Spektrumteilung, räumliches Multiplexing auf Terahertz-Basis und Blockchain – an Bedeutung. Die New York University, die University of California und Virginia Tech betreiben in den USA Vorforschung im Bereich Terahertz und anderen 6G-Technologien. Darüber hinaus haben Unternehmen wie SpaceX, OneWeb und Amazon Pläne für Satelliteninternet als potenzielle Schlüsseltechnologien für zukünftiges 6G vorgestellt.

2.2.3 Sprache

Die japanische Regierung plant, durch öffentlich-private Partnerschaften eine umfassende Entwicklungsstrategie für zukünftiges 6G zu formulieren. Das Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie hat einen Fonds in Höhe von 220 Milliarden Yuan eingerichtet, um ein nationales Schlüsselprojekt zu etablieren und die Forschung und Entwicklung von 6G voranzutreiben. Den Vorsitz führt der Präsident der Universität Tokio, und Technologiekonzerne wie Toshiba leisten technische Unterstützung. Japan verfügt derzeit über einen einzigartigen Vorsprung im Bereich Terahertz und führt die Terahertz-Technologie als wichtigste der „Top Ten Key Strategic Goals of National Pillar Technologies“ an. Die NTT Group hat die Entwicklung zweier B5G- und 6G-Technologien, Terahertz und Orbitaldrehimpuls, gefördert. Darüber hinaus wird Japan optische Halbleiter als Informationsverarbeitungstechnologie für 6G einsetzen. NTT kündigte an, mit 65 Unternehmen zusammenzuarbeiten und bis 2030 die Massenproduktion optischer Halbleiter für 6G anzustreben.

2.2.4 Fehler

Südkoreas 6G-Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf Unternehmen und universitäre Forschungseinrichtungen, darunter Samsung, SK Telecom, LG Electronics und das Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). LG Electronics hat in Zusammenarbeit mit KAIST ein 6G-Forschungszentrum gegründet; das Institut für Elektronik und Telekommunikation hat eine Kooperationsvereinbarung mit der Universität Oulu in Finnland zur Entwicklung von 6G-Netzwerktechnologie unterzeichnet. SK Telecom hat Abkommen mit Nokia (Finnland) und Ericsson (Schweden) geschlossen, um die Zusammenarbeit in der 6G-Netzwerkforschung und -entwicklung zu intensivieren. Im Juni 2019 gründete Samsung ein Forschungszentrum für fortgeschrittene Kommunikationstechnologien und begann mit der Forschung an 6G-Netzen. Im Juli 2020 veröffentlichte Samsung das Whitepaper „6G: Das nächste hypervernetzte Erlebnis für alle“, das Samsungs 6G-Vision, Entwicklungstrends, Anwendungsszenarien, Indikatoranforderungen, Kandidatentechnologien und den erwarteten Standardisierungsplan umfasst.

2.2.5 Schritte

Im November 2019 veranstaltete das Ministerium für Wissenschaft und Technologie ein Auftakttreffen für die Forschung und Entwicklung im Bereich der 6G-Technologie und kündigte die Einrichtung einer nationalen Arbeitsgruppe zur Förderung der 6G-Technologie sowie einer übergeordneten Expertengruppe an. Die Arbeitsgruppe ist für die Förderung der Umsetzung der 6G-Technologie-Forschung und -Entwicklung zuständig; die übergeordnete Expertengruppe erarbeitet Vorschläge für die Forschungsstrategie und technische Demonstrationen im Bereich der 6G-Technologie und berät bei wichtigen Entscheidungen. Ebenfalls 2019 gründete das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie eine 6G-Forschungsgruppe, die später in IMT-2030 umbenannt wurde. Diese Gruppe bündelte die Kompetenzen von Industrie und Hochschulen und deckte die Bereiche Bedarf, drahtlose und Netzwerktechnologien ab. Ziel war es, zukunftsorientierte Visionen und technologische Forschung zu stärken, um die Konzepte und Schlüsselrichtungen für die Förderung von 6G zu konkretisieren.

03Mögliche Forschungsrichtungen

Die Forschung im Bereich der Mobilkommunikation der nächsten Generation ist untrennbar mit der Diskussion neuer Technologien und Netzwerkarchitekturen verbunden. Dieses Kapitel ordnet die aktuellen Forschungsprioritäten führender Organisationen, Universitäten und Forschungseinrichtungen und unterteilt sie in drei Kategorien: neue Frequenzspektren, neue drahtlose Technologien sowie neue Netzwerkarchitekturen und -kapazitäten. Es stellt vor allem die technischen Merkmale und die Notwendigkeit zukunftsorientierter 6G-Systeme vor und bietet eine Grundlage für weiterführende, umfassendere und systematischere Forschungsarbeiten.

3.1 Neues Spektrum
Zukünftig werden sich die Geschäftsarten und Nutzer stärker diversifizieren, und die Anforderungen an die Netzwerkleistung werden stetig steigen. Da die Ressourcen im Niederfrequenzbereich derzeit weitgehend ausgelastet sind, wird die Spektrumserweiterung in höhere Frequenzbänder zum Forschungsschwerpunkt von 6G. Besonders im Fokus der Industrie stehen aktuell die Terahertz- und die sichtbaren Lichtbänder.

Terahertz bezeichnet den Frequenzbereich von 100 GHz bis 10 THz mit einer Wellenlänge von 0.03 bis 3 mm. Es handelt sich um elektromagnetische Strahlung zwischen Radiowellen und Lichtwellen. Sie zeichnet sich durch hohe Informationsdichte, Impulsdauern im Subpikosekundenbereich, hohe räumlich-zeitliche Kohärenz, geringe Photonenenergie, starke Durchdringung, hohe Anwendungssicherheit, gute Richtwirkung und hohe Bandbreite aus. Terahertz-Kommunikationsanwendungen lassen sich anhand der Reichweite in zwei Kategorien einteilen: Anwendungen mit großer Reichweite umfassen drahtlose Fronthaul-/Backhaul-Systeme mit hoher Kapazität, drahtlose Rechenzentren, Weltraumanwendungen usw. Die Reichweite liegt im Bereich von Hunderten von Metern bis Kilometern. Anwendungen mit geringer Reichweite umfassen Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, Chip-Kommunikation, Gesundheitsüberwachung und das Internet der Dinge im Nanobereich usw., mit Reichweiten im Millimeter- bis Meterbereich. Die wichtigsten Herausforderungen der aktuellen Terahertz-Forschung sind die Entwicklung von Kernbauelementen und die Gestaltung flexibler und dynamischer Luftschnittstellen.

Das Spektrum des sichtbaren Lichts liegt zwischen 420 und 780 THz, der Wellenlängenbereich zwischen 380 und 780 nm. Es kann ohne Genehmigung genutzt werden. Sichtbare Lichtkommunikation (VLC) vereint Beleuchtung und Kommunikation, ist störungsfrei und umweltfreundlich. Daher stellt VLC ein wichtiges Mittel zur Lösung des Problems der Überwachung im privaten Bereich dar und gilt als zukunftsweisende Technologie für Kommunikationssysteme. Zu den Hauptanwendungsbereichen von VLC zählen drahtloser Zugang in Innenräumen, Indoor-Positionierung, Indoor-Navigation, intelligente Transportsysteme, Anwendungen in der Luftfahrt, Datenaustausch zwischen Geräten, Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung, Unterwasserkommunikation und Informationssicherheit. Die derzeitige Wertschöpfungskette der VLC-Industrie ist jedoch noch nicht ausgereift, und der Engpass liegt in den Sende- und Empfangsgeräten für mobile Endgeräte.

3.2 Neue drahtlose Seitentechnologie

3.2.1 Große intelligente Oberflächen

In früheren Mobilfunksystemen dienten zahlreiche drahtlose Einzeltechnologien der besseren Anpassung an die sich verändernde Funkkanalumgebung und der Optimierung von Transceiver-Designs (z. B. Wellenform-, Codierungsverfahren, Zeit-Frequenz- und Raumübertragungsmechanismen), um die Systemkapazität zu steigern. Die Steuerung elektromagnetischer Wellen beschränkte sich in der Vergangenheit auf Sender und Empfänger. In den letzten Jahren ermöglichte die Entwicklung intelligenter Metasurfaces jedoch die flexible Steuerung der elektromagnetischen Eigenschaften der Kanalumgebung und hat damit in Wissenschaft und Industrie großes Interesse geweckt. Intelligente Metasurfaces sind künstliche elektromagnetische Oberflächenstrukturen mit programmierbaren elektromagnetischen Eigenschaften, die üblicherweise aus neuartigen programmierbaren Metamaterialien bestehen. Sie können elektromagnetische Wellen durch digitale Codierung aktiv und intelligent regulieren und so ein elektromagnetisches Feld mit steuerbarer Amplitude, Phase, Polarisation und Frequenz erzeugen. Dieser Mechanismus bildet eine Schnittstelle zwischen der physikalischen elektromagnetischen Welt intelligenter Metasurfaces und der digitalen Welt der Informationswissenschaft. Zu den Vorteilen der intelligenten Metasurface-Technologie zählen außerdem geringer Energieverbrauch, niedrige Hardwarekosten, keine Selbstinterferenzen, flexible Konfiguration und breite Anwendungsmöglichkeiten. Es kann elektromagnetische Strahlen in Echtzeit durch Reflexion, Transmission, Streuung usw. je nach Anwendungsszenario steuern, die Funkumgebung verändern, die Nutzsignalqualität verbessern und dadurch die Ziele der Reichweitensteigerung, der Systemkapazitätsverbesserung und der Designvereinfachung erreichen. Es ist besonders attraktiv für die Entwicklung zukünftiger Mobilkommunikationssysteme.

3.2.2 Neue Codierung und Wellenformen

In der vorherigen Evolutionsstufe von Mobilfunksystemen, von 4G zu 5G, hat sich die Spitzendatenrate mehr als verzehnfacht. Es ist zu erwarten, dass sich dieser Wachstumstrend in der nächsten Mobilfunkgeneration fortsetzt oder sogar beschleunigt. Der Durchsatzbedarf für die Dekodierung erreicht über 100 Gbit/s, weshalb Dekodierungsalgorithmen und Fehlerkorrekturcodes überarbeitet werden müssen, um die Parallelität der Dekodierung zu verbessern. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Zuverlässigkeit, was eine geringere Fehlerrate der Codierung und die Optimierung der zugehörigen Designs erfordert. Zu den aktuell intensiv erforschten Codierungstechnologien zählen Spinalcodierung, Indexmodulation und nichtlineare Vorcodierung. Auch künstliche Intelligenz gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Codierung. Darüber hinaus lässt sich das Wellenformdesign in 5G-Systemen flexibel an verschiedene Anwendungsszenarien anpassen. Zukünftig wird 6G komplexere Szenarien und Dienste unterstützen und die Leistungsindikatoren deutlich verbessern. Die Entwicklung und Einführung neuer Wellenformen ist daher unerlässlich. Die aktuelle Forschung umfasst unter anderem Entwürfe auf Basis nicht-orthogonaler Wellenformen und Wellenformen im Transformationsbereich. Neue Codierungen und Wellenformen werden in zukünftigen Systemen eine wichtige Rolle spielen und stellen technische Richtungen dar, die weiter erforscht werden müssen.

3.3 Neue Netzwerkarchitektur und Netzwerkfunktionen

3.3.1 Integration von Raum, Boden, Luft und Meer

Satellitenkommunikation spielt eine entscheidende Rolle für die Verbesserung der Lebensqualität in der heutigen digitalen Wirtschaft. Im Vergleich zu terrestrischen Netzen bieten Satellitennetze eine vollständige Erdabdeckung, hohe Mobilität, hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie garantierte Übertragungsverzögerungen über große Entfernungen. Die Kombination von Satelliten, Flugzeugen und Bodennetzen zur Realisierung einer dreidimensionalen und heterogenen Netzwerkverbindung ermöglicht eine weitreichende, leistungsstarke und umfassende Informationsverteilung und -interaktion. Sie eignet sich für spezielle Szenarien wie die Anbindung ländlicher Gebiete mit begrenzter Netzabdeckung, die Anbindung von Luft- und Seegebieten sowie das Katastrophenmanagement. Zudem ermöglicht sie eine nahtlose globale Abdeckung und einen reibungslosen Übergang und bietet Garantien für die Anforderungen der Mobilfunkkommunikation der nächsten Generation. Zu den technischen Herausforderungen des aktuellen Systems zählen die hochdynamischen Änderungen der Übertragungsverbindungen, das komplexe räumlich-zeitliche Verhalten des Netzwerks und die großen Unterschiede in den heterogenen Unternehmensgrößen. Bahnbrechende technologische Entwicklungen in der simultanen integrierten Vernetzung von Luft, Weltraum und Boden, der Übertragungstheorie, der optimierten Planung und der intelligenten Zusammenarbeit sind daher unerlässlich.

3.3.2 Deterministisches Netzwerk

Deterministisches Networking (DetNet) war ursprünglich eine Technologie, die die Transformation von IP-Netzwerken von „Best-Effort“ zu „pünktlich, präzise und schnell“ ermöglichte und die Ende-zu-Ende-Latenz reduzierte. Sie richtete sich zunächst an Branchen wie Industrie, Energie und das Internet der Fahrzeuge, die extrem hohe Anforderungen an geringe Netzwerklatenz, Zuverlässigkeit und Stabilität stellen. Der aktuelle TSN-Standard des IEEE gewährleistet die Deterministik von Ethernet, und die von der IETF gegründete Arbeitsgruppe für deterministische Netzwerke arbeitet daran, die in TSN entwickelte Technologie auf Router auszuweiten und die Netzwerkgröße zu erhöhen. Da mobile Endgeräte und die von ihnen angebotenen Dienste in Zukunft immer vielfältiger werden, werden deterministische Anforderungen wie hochpräzise Zeitsynchronisation, absolute maximale Ende-zu-Ende-Verzögerung und extrem zuverlässige, verlustfreie Datenpaketübertragung zu den Anforderungen der nächsten Generation mobiler Systeme gehören. Die drahtlose Komponente ist der Schlüssel zur Erreichung von Ende-zu-Ende-Sicherheit in mobilen Systemen. Die drahtlose Übertragung ist anfällig für Umwelteinflüsse, und die Übertragungsqualität lässt sich nur schwer gewährleisten. Im 5G-Zeitalter haben die 3GPP-Standards einen Plan für die Integration von TSN und 5G formuliert. Das 5G-System dient dabei als TSN-Brücke, und die Architektur ist als Blackbox integriert. Dennoch bleiben beide Systeme unabhängig, und die Leistungsfähigkeit des TSN lässt sich nur schwer vollständig garantieren. Zukünftig werden in Mobilfunksystemen der nächsten Generation die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Branche umfassend berücksichtigt, um eine deterministische native Unterstützung für 6G zu gewährleisten. Die entsprechenden technischen Lösungen und die Systemarchitektur müssen weiter verbessert werden.

3.3.3 Cloud-nativ

Cloud-native bedeutet, dass Anwendungen auf Cloud-Servern bereitgestellt werden und Merkmale wie Containerisierung, Microservices, Continuous Delivery und DevOps aufweisen. Diese Technologien ermöglichen den Aufbau eines lose gekoppelten Systems, das fehlertolerant, einfach zu verwalten und leicht zu überwachen ist. Im 5G-Zeitalter basiert das Kernnetz auf einer serviceorientierten Architektur (SOA), wodurch die Implementierung von Netzwerkfunktionen mithilfe von Allzweckservern vereinfacht und Cloud-Effekte in Rechenzentren erzielt werden können. Derzeitige 5G-Kernnetze verfügen jedoch noch nicht über Funktionen wie Containerisierung und Microservices. Um zukünftig flexible, skalierbare, innovationsschnelle und Online-Netzwerkdienste zu entwickeln, kann Cloud-native eine geeignete Lösung darstellen. Obwohl herkömmliche drahtlose Geräte in Mobilfunknetzen bisher stark abgeschottet waren und Netzwerkfunktionen extrem hohe Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit stellen, schreitet die Forschung im Bereich Cloud-nativer Mobilfunknetze stetig voran. Es wird erwartet, dass mit zunehmender Reife der Technologie und der Branche ihre Vorteile zukünftig voll ausgeschöpft werden, um eine flexible und elastische neue Netzwerkarchitektur zu entwickeln.

3.3.4 Allgegenwärtige Intelligenz

Der anhaltende Erfolg künstlicher Intelligenz revolutioniert alle Technologiebereiche, und die Integration von KI in Mobilfunknetze der nächsten Generation ist zu einem unaufhaltsamen Trend geworden. Aktuell beschränkt sich die Integration von Intelligenz im Kommunikationsbereich meist auf die Datenerfassung und KI-Algorithmen zur Optimierung des Geschäftsbetriebs nach der Systembereitstellung. Der Umfang und die Reichweite dieser Ansätze sind jedoch noch gering. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Netzwerkarchitektur und der Entwicklung flächendeckender Verbindungen wird KI zukünftig enger mit allen Aspekten des Netzwerks integriert werden können. Sie wird nicht nur in der Cloud eingesetzt, sondern auch in Edge- und Endgeräte vordringen. KI wird nicht nur zur intelligenten Optimierung spezifischer Dienste genutzt, sondern auch umfassender in das Systemdesign integriert, einschließlich Netzwerkbereitstellung, Algorithmenentwicklung und Rechenleistungsverteilung. So wird Intelligenz immer stärker in das Netzwerk eingebettet, um echte intelligente Allgegenwärtigkeit zu erreichen und die Leistungsfähigkeit zukünftiger Mobilfunknetze umfassend zu verbessern.

3.3.5 Endogene Sicherheit

Zukünftige Geschäftsvisionen und Netzwerkarchitekturen, darunter immersive XR-Anwendungen, Holografie, integrierte luft-, raum- und bodengestützte Verbindungen, KI usw., werden mehr Angriffspunkte schaffen und die Sicherheit vor größere Herausforderungen stellen. Das traditionelle Sicherheitsverteidigungsmodell ist ein Patch-Modell: Nach dem Systemaufbau werden Sicherheitsmaßnahmen isoliert implementiert, gestapelt und verstärkt. Es handelt sich um ein passives Schutzmodell, das ineffizient und unwirtschaftlich ist. Daher müssen zukünftige Mobilfunknetze neue Sicherheitsmodelle entwickeln. Endogene Sicherheit basiert auf Attributen wie Kohäsion, Kollaboration und Nativität und zeichnet sich durch native Entwicklung und symbiotische Evolution aus. Netzwerksicherheit wird durch die Aggregation verschiedener Sicherheitsprotokolle und -mechanismen gewährleistet. Gleichzeitig verfügen die Sicherheitsfunktionen über eine unabhängige Triebkraft, um sich synchron oder sogar prospektiv an Netzwerkänderungen anzupassen und so eine inhärente, robuste Verteidigung des Netzwerks zu erreichen. Sie ist keine passive Reaktion auf Sicherheitsbedrohungen mehr, sondern kann im zukünftigen 6G-Netz eine wichtige Rolle spielen.

04Zusammenfassen

Das 6G-Netzwerk ist auf das Jahr 2030 und darüber hinaus ausgerichtet. Obwohl es sich aktuell noch in der frühen Forschungsphase befindet, lassen sich erste Anzeichen aus den Entwicklungen in Wirtschaft und Technologie erkennen. Das 6G-Netzwerk muss höhere Bandbreiten, strengere Zuverlässigkeit, eine breitere und umfassendere Abdeckung zukünftiger Dienste ermöglichen und gleichzeitig intelligentere, sicherere und flexiblere Netzwerkdienste bieten. Dieser Artikel beleuchtet die Fortschritte und potenziellen technischen Richtungen der Forschungseinrichtungen im Bereich 6G. Obwohl der aktuelle Weg zu 6G noch nicht klar ist und die potenziellen Richtungen auch Herausforderungen in Theorie, praktischer Umsetzung und Netzwerktechnik mit sich bringen, ist angesichts der kontinuierlichen Investitionen in die Forschung und des stetigen Fortschritts der Branche davon auszugehen, dass die nächste Generation mobiler Kommunikationssysteme tiefgreifende Veränderungen und grundlegende Umwälzungen mit sich bringen wird.

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