5G & 6G

Mit 5G und 6G auf dem Weg zum Metaversum

5G ist der Datenübertragungsstandard für virtuelle Lösungen

METAVERSE

Die Weiterentwicklung der Mobilfunkstandards ermöglicht Produktionsstätten, die mit Robotern bevölkert sind, Treffen mit den Kollegen im virtuellen Meetingroom statt im Zoom-Call, und Konzertbesuche am Abend irgendwo auf der Welt mit Hilfe von Datenbrillen und Avatars. Diese Welt ist das Metaversum, auf Englisch Metaverse.

Ab 2024 rechnen Analysten mit immer mehr Anwendungen im Metaverse. Grundlage dafür sind schnelle, zuverlässige und sehr leistungsstarke Datenübertragungstechnologien.

5G ist der Mobilfunkstandard, auf den Unternehmen auf dem Weg zum Metaverse setzen.

Digitale Welten mit 5G

Mit Virtual Reality-Geräten wie Datenbrillen und -handschuhen können dank schneller Datenübertragung die reale und die virtuelle Welt verschmelzen.

Blick ins Metaverse

Vom digitalen Zwilling zum Metaverse

In der digital vernetzten Produktion werden seit den 2010er Jahren digitale Zwillinge eingesetzt. Sie sind digitale Abbilder real existierender Bauteile oder Maschinen und all ihrer Anschlüsse. Genutzt werden sie zur Simulation und Nachverfolgung von Prozessen. Eine digitale Produktionsanlage verhält sich gemäß der programmierten Parameter aller erfassten Elemente. Stellt sie Abweichungen in der realen Produktion fest, kann sie je nach Ausbaustand der Anlage selbständig oder durch Menschen gestützt mit den real existierenden Maschinen kommunizieren und die Produktion beeinflussen.

Das Metaverse ist auch eine Simulation real existierender Umstände – und mehr. Die Programmierer des Metaverse sind Millionen von Nutzern auf der ganzen Welt. Sie erschaffen sich selbst als Avatare im Metaverse und ganze Welten, in denen sie agieren. Die Welten sind virtuell, denn sie erscheinen real auf die Weise, die der erschaffende Mensch sich wünscht, und eröffnen neue Möglichkeitsräume.

Eine unabdingbare Voraussetzung dafür ist eine performante Mobilfunkinfrastruktur. Mit 4G/LTE wurde diese global geschaffen. 2022 ist der maximale 4G-Netzausbau in Deutschland erreicht; weltweit rechnen Experten 2030 mit der maximalen Verbreitung. 5G aber ist der Mobilfunkstandard, mit dem virtuelle Welten möglich werden.

Technologische Neuerungen von 4G zu 6G

Fakten

Die Standardisierungsinstanz 3GPP begann 2016 mit der Arbeit an 5G. Release 15 (R15) von 3GPP ist der erste dezidierte 5G-Release; die Arbeit daran wurde 2019 beendet.

Im Juli 2020 wurde mit R16 die Arbeit an der Luftschnittstelle von 5G abgeschlossen. R17 ist abgeschlossen und R18 für 5G Advanced in Arbeit.

Aufgrund des anhaltenden Halbleitermangels sind die Vorteile von R16 jedoch noch nicht vollständig in der Industrie angekommen. Zum großen Teil arbeiten Automatisierer in Campusnetzen zur Zeit noch mit Geräten und Chips, die auf R15 basieren.

Die Evolution von 4G über 5G zu 6G ist von tiefgreifenden Innovationen in Industrie und Alltag geprägt.

Der 4G/LTE-Standard beruht auf dem Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM). Das ist eine Art der digitalen Modulation, in der ein Signal in mehrere Schmalbandkanäle auf unterschiedlichen Frequenzen aufgespalten und schneller übertragen wird. Mit 4G/LTE können Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 150 Mbit/s erreicht werden. Die durchschnittliche Download-Geschwindigkeit einer LTE-Verbindung liegt bei 20,83 Mbit/s, die Upload-Geschwindigkeit bei 1,48 Mbit/s und die durchschnittliche Reaktionszeit bei 54,17 ms.

Seit 2019 wird das 5G-Netz in Deutschland aufgebaut.

Mit 5G werden nominell Spitzendatenraten von 20 Gbit/s bei einer Latenz von 1ms möglich. Die technologische Neuerung liegt bei 5G erstens in der Antenne. Um mehr Endnutzer pro Funkmast versorgen zu können, werden am Funkmast viele zusätzliche Antennen installiert, die Massive Multiple Input, Multiple Output (Massive MIMO) ermöglichen.

Secondly, telecommunications providers use different frequency bands: those with long wavelengths and greater range in the GHz range in rural areas, where a single radio mast can cover a larger region, and those with shorter wavelengths for urban areas, where the number of users per unit area is greater.

In Städten werden deswegen mehr 5G-Antennen oder kleinere Transceiver in der Größe eines Pizzakartons verbaut. [1] Drittens basiert die Leistung eines 5G-Netzes auf Network Slicing. „Slices“ sind virtuelle Netzwerke innerhalb des Gesamtnetzes, die die Bandbreite ressourcenschonend ausnutzen.

Viertens können 5G-Geräte per Sidelinking direkt miteinander ohne Antenne oder einen Transceiver kommunizieren. 6G soll 2030 zur Verfügung stehen. Übertragungsraten von bis zu 400 Gbit/s und Latenzzeiten von unter 100 Mikrosekunden werden prognostiziert.

Der Neue Standard 5G

Zielsetzung:
5G für industrielle Automation

Ziel der Entwicklung von 5G war es, die KPIs von 4G so zu erweitern, dass ultraniedrige Latenzzeiten von 1 ms, mehr Endgeräte pro Quadratkilometer und nahezu ununterbrochene Verfügbarkeit der Kommunikationsdienste von 99,9 Prozent möglich wurden. Benötigt wird das vor allem in der industriellen Automation. Erst mit 5G wird der sogenannte ‚Handover‘ von einem WLAN-Zugangspunkt zu einem anderen ohne Bruch möglich, denn mit 5G wird eine neue Verbindung immer zuerst aufgebaut, bevor die bestehende beendet wird. AGVs und autonome mobile Roboter (AMRs) können in Umgebungen mit 5G-Netzen in großer Zahl kollisionsfrei eingesetzt werden.

Technologiemix bei 5G Zugangs- und Kernnetz

Erwartet werden bei 5G Spitzendatenraten von 20 Gbit/s. Diese werden nur unter bestimmten Voraussetzungen erreicht. Experten haben bei 5G-Endnutzern in Deutschland im Upload 100 Mbit/s und im Download 1.500 Mbit/s gemessen[2], in Österreich und der Schweiz werden insgesamt höhere Geschwindigkeiten verzeichnet.[3] Die Differenz zwischen den Leistungsindikatoren hängt mit der Infrastruktur zusammen. Sowohl Kernnetz als auch Zugangsnetz müssten für 5G ausgelegt sein.

Das Kernnetz – das Glasfasernetzwerk, das die Bandbreite, Überbrückung von Entfernungen und die Flächendeckung sicherstellt – entspricht in Deutschland dem 4G/LTE-Standard (Stand Juli 2022). Die meisten 5G-Netze nutzen ein 5G-Zugangsnetz mit eigenen Mobilfunkmasten, Funktechnik und Anbindung, welches die Verbindung mit dem Endgerät eines jeden Teilnehmers aufbaut. Im Prinzip sind sie aber nicht-selbständige Add-ons auf das bestehende 4G/LTE-Kernnetz.

Die Rate des „non-stand-alone“ Netzausbaus (5G/NSA) lag Ende 2021 bei 53 %. In dem sich ergebenden Technologiemix können die Performanzindikatoren, mit denen 5G-Anbieter werben, noch nicht erreicht werden.

Stand-alone 5G und 5G Advanced

Der Ausbau vollständiger, sogenannter „stand-alone“ 5G-Netze (5G/SA), ist notwendig. Frankfurt am Main verfügt seit 2021 über ein vollständiges 5G-Netz, München und Berlin wollen 2022 nachziehen. Europa, der Nahe Osten und Afrika (EMEA) hat den asiatisch-pazifischen Raum einschließlich des Großraums China (APAC) überholt und ist mit 839 Städten die Region mit den meisten 5G-Städten.

In Asien-Pazifik (APAC) gibt es 689 Städte und in Nord- und Südamerika sind es 419, die auf 5G setzen.[4] Das Versprechen von 5G wird also zuerst in den Städten eingelöst werden – oder mit 5G Advanced. Eine niedrigere Belastung des Stromnetzes, bessere Bandbreitenausnutzung, bessere Unterstützung für mobile Endnutzer durch Optimierung der Massive MIMO, und eine genauere Positionsbestimmung auf unter 20 Zentimeter gehören zu den Features von 5G Advanced. Die Umsetzung wird ab 2025 erwartet.

Nach Seoul ist Oslo die Hauptstadt mit der schnellsten mittleren 5G-Datenübertragungsgeschwindingkeit.

Der 5G-Ausbau wird in den Großstädten eher erfolgen als in ländlichen Regionen. Nach Seoul ist Oslo die Hauptstadt mit der schnellsten mittleren 5G-Datenübertragungsgeschwindingkeit.

5G in der Praxis

Mit 5G können deutlich mehr Teilnehmer pro Fläche im Netz aktiv sein. Größere Mengen an aktiven RFID-Tags als bisher könnten im Warenlager Zustandsdaten übermitteln.

Campusnetze zeigen, was 5G kann

Geografisch eng abgegrenzte private 5GNetze in Kommunen und bei Institutionen werden als Campusnetze bezeichnet. Die aufgeführten 5G-Anwendungsfälle sind alle in Campusnetzen durchgeführt worden. Da Campusnetzte selbständige Netze (5G/SA) sind, werden deutlich höhere Datenübertragungsraten und Bandbreiten erreicht.

Anwendungsfälle für 5G

Autonomes Fahren

Zur Erforschung des autonomen Fahrens werden 5G-Teststrecken gebaut. Diese werden zur effizienten Überwachung des Fahrzeugs und der Situation um das Fahrzeug herum mit Sensoren versehen. Die Fahrzeuge selbst übertragen mit hochauflösenden Fahrzeugkameras Bilder. So werden Erkenntnisse über Fahrerassistenzsysteme gewonnen. Wo? DENSO Global R&D Center in Tokyo, Haneda

Wartung & Entwicklung

Augmented Reality (AR)-Brillen werden in der Wartung von Flugzeugturbinen und in Konstruktion von Flugzeuginneneinrichtungen benutzt. 3D-Konstruktionsdaten der geplanten Kabineneinrichtung werden dafür in leeren Flugzeugrümpfen virtuell visualisiert.

Mittels Live-Datenübertragung haben die Techniker vor Ort dann die Möglichkeit, die aktuelle Position aller geplanten Bauteile zu überprüfen und zusätzlich über kollaborative Videofunktionen notwendige Änderungen mit den Entwicklern abzustimmen. Wo? Lufthansa Technik, Hamburg

Hafenlogistik

Mit 5G können alle Prozesse im Hafen automatisiert werden. Die Hubkapazität der Kräne wird erhöht, wodurch sich die Liegezeit der Schiffe reduziert. AGVs können in größerer Zahl eingesetzt werden. Mit 4G können nur 300 bis 400 AGVs in einem Netz betrieben werden, mit 5G sind es 2000. Wo? Tuas Megaport, Singapur

Tele-Chirurgie:
Mit einer Datenbrille und einem Präzisions-Joystick steuert der Chirurg den weit entfernten Operationsroboter.

Autonomes Fahren: Ab Stufe 3, dem hochautomatisierten Fahren, wird Lesen oder Computerarbeit während des Autofahrens möglich sein.

Die Zukunft mit 6G

6G erfüllt das Versprechen von 5G

Bei 5G liegt der erwartete Peak der globalen Verfügbarkeit im Jahr 2040. An 6G wird schon jetzt geforscht. 3GPP wird voraussichtlich 2025 mit der Arbeit an 6G beginnen. Die Spezifikationen betreffen unter anderem die Erweiterung des Mobilfunks auf Übertragungsraten von über 10 und bis zu 400 Gbit/s, die Stärkung der direkten Kommunikation V2X, die Weiterentwicklung kabelloser Netzwerke (Luftschnittstelle & IoT), und Latenzzeiten von unter 100 Mikrosekunden. Mit der Feldtestung wird ab 2025 und mit der Einführung 2030 gerechnet. In China konnte im Januar 2022 in einem Test-Setting eine Datenübertragungsrate von 206,25 Gbit/s erreicht werden.[5]

Technologische Voraussetzungen für 6G

Da die Forschung für die Umsetzung der 6G-Spezifikationen am Anfang steht, kann zur technologischen Umsetzung noch nicht viel gesagt werden. Das D-Band soll im Terahertz-Bereich von 0,11 THz bis 0,17 THz verwendet werden, was für Mobilkommunikation ungewöhnlich ist. Bisherige Anwendungen im Terahertzbereich sind Bodyscanner am Flughafen. Erwartet wird, dass die Datenübertragung teilweise über sichtbares Licht (Visible Light Communication) funktionieren wird.

Multi-Robot Systems und Industrie 4.0

Verlässliche verzögerungsfreie Kommunikation und Steuerung in Echtzeit wird tatsächlich erst mit 6G möglich sein. Beide Aspekte sind für die Industrie 4.0 im Hinblick auf mobile Robotik von großer Bedeutung. Die Smart Factory der Zukunft benötigt kollaborative Roboter, um intelligente industrielle Systeme zu implementieren und ein komplexes Roboter-Ökosystem mit dynamischen Bewegungen und KI-Steuerung zu bilden.[6] Produktionsroboter und Transportroboter (AGVs) können dann die Fertigung effizient durchführen und in Echtzeit auf Änderungen reagieren.

Die Zahl der Anwendungsfälle für 6G wird steigen, je näher die Einführung der Technologie kommt.

Tele-Chirurgie

Auch das Gesundheitswesen würde zunehmend auf digitale Prozesse mit M2M-Kommunikation setzen, wenn das ginge. Der Bereich der Telemedizin könnte mit 6G so aufgebaut werden, dass Chirurgen weit entfernt von Patienten Operationsroboter steuern. Ultra-hochaufgelöste Bilder und die Befehle des Operateurs an den Roboter müssten dafür mit einer Latenz weit unter 1 ms übertragen werden.[7] mit 6G lässt sich das umsetzen.

Automatisiertes und autonomes Fahren

Das automatisierte und autonome Fahren wird in Zusammenhang mit 6G wieder häufiger diskutiert. Autos in den Automatisierungsausbaustufen 4 (vollautomatisiertes Fahren) und 5 (autonomes Fahren) sollen mit anderen Autos kommunizieren, Abstände zu anderen Verkehrsteilnehmern in Echtzeit mitteilen können und die Umgebung visuell genau erfassen.

Da die anfallenden Datenmengen beim automatisierten und autonomen Fahren enorm hoch sind, müssten bei 5G zur Sicherstellung geringer Latenzzeiten sehr viele Antennen installiert werden. Die maximal mit 5G erreichbaren 20 Gbit/s würden jedoch trotzdem nicht genügen, um die Daten schnell genug zu übertragen.[8] Mit 6G kann das automatisierte und autonome Fahren aus abgegrenzten Testgeländen oder Hafenanlagen hinaus auf die Straße gebracht werden.