Illustration: Geralt Absmeier

Hexa-X ist die Leitinitiative der Europäischen Kommission für die Forschung an der nächsten Generation drahtloser Netze.
Hexa-X will die menschliche, physische und digitale Welt verbinden.
Hexa-X ist die erste offizielle branchenweite Forschungsinitiative, die die 6G-Forschung fördern und vorantreiben sowie die Führungsposition Europas im 6G-Zeitalter stärken soll.

Nokia übernimmt die Gesamtprojektleitung von Hexa-X, der 6G-Leitinitiative der Europäischen Kommission für die Forschung zur Umsetzung eines 6G-Gesamtkonzepts. Zu den Projektzielen zählen neben der Erstellung von 6G-Anwendungsfällen und -Szenarien auch die Entwicklung grundlegender 6G-Technologien sowie die Definition einer neuen Architektur für eine intelligente Struktur.

Hexa-X wird im Rahmen von Horizon 2020, dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Kommission, gefördert. Das bedeutet einen wichtigen Schritt, um die Hauptakteure der Telekommunikationsbranche in Europa zusammenzubringen, um bei der 6G-Entwicklung voranzugehen. Die Akteure – Netzbetreiber, Anbieter von Kommunikationsdiensten und vertikalen Lösungen, Technologieanbieter sowie die renommiertesten europäischen Kommunikationsforschungsinstitute – decken die gesamte Wertschöpfungskette künftiger Konnektivitätslösungen ab.

Unter der Leitung von Nokia zielt das Hexa-X-Projekt darauf ab, die menschliche, physische und digitale Welt zu verbinden, eingebettet in die Forschung zu drahtlosen Technologien und Architekturen der Zukunft. Schon heute sind drahtlose Technologien für die Gesellschaft und die Wirtschaft unverzichtbar. Ihre Bedeutung wird mit 5G und dessen Weiterentwicklung weiter zunehmen, was neue Ökosysteme und Dienste ermöglicht.

Nokia hat bei der Kommerzialisierung jeder Generation von Mobilfunktechnologie eine Vorreiterrolle gespielt, vom ersten GSM-Anruf über die leistungsfähigsten 4G-Netze bis hin zu den schnellsten 5G-Geschwindigkeiten. Nokia Bell Labs, der weltweit anerkannte Forschungsbereich von Nokia, leistete Pionierarbeit bei zahlreichen grundlegenden technologischen Innovationen, die zur Entwicklung von 5G-Standards genutzt werden: u.a. Multi-Antennentechnik (Massive MIMO), Millimeterwellen-Funkzugangstechnologie, Codierung und grundlegende Eigenschaften der 5G-Funkübertragung. Darüber hinaus hat Nokia Bell Labs wichtige Grundlagen für die kommenden 5G-Entwicklungsstufen erarbeitet, die für die digitale Transformation in verschiedenen Industriesektoren von großer Bedeutung sind, etwa 5G New Radio (NR) in unlizenzierten Frequenzbändern.

Die Nokia Bell Labs forschen bereits intensiv an den Basistechnologien für 6G. Dem typischen 10-Jahres-Zyklus zwischen den Generationen bei den Kommunikationsstandards entsprechend rechnet Nokia für 2030 mit der kommerziellen Markteinführung von 6G.

Peter Vetter, Head of Access and Devices Research, Nokia Bell Labs, sagt: »Auch wenn es bei 5G immer noch viel Innovationsspielraum gibt, sind wir in unseren Forschungseinrichtungen bereits dabei, 6G zu erkunden. Im 6G-Zeitalter werden wir Anwendungen erleben, die nicht nur Menschen mit Maschinen, sondern auch Menschen mit der digitalen Welt verbinden. Solche sicheren und privaten Verbindungen können wir für die Gesundheitsvorsorge nutzen, oder damit ein 6G-Netz mit einem ›sechsten Sinn‹ schaffen, das unsere Absichten intuitiv versteht, unsere Interaktionen mit der physischen Welt effektiver macht, unsere Bedürfnisse antizipiert und dadurch unsere Produktivität verbessert.«

Zusammen mit dem Hexa-X-Konsortium hat Nokia Bell Labs sechs Forschungsschwerpunkte definiert, die adressiert werden sollen, um die technischen Grundlagen für drahtlose 6G-Systeme zu schaffen:

Verbindungsintelligenz: KI-/Machine-Learning (ML)-Technologien müssen ein wesentliches und vertrauenswürdiges Mittel sein, um Effizienz und Anwendererlebnis signifikant zu verbessern – im Dienste der Menschen.
Netz der Netze: Ressourcen unterschiedlichster Art müssen gebündelt werden, um ein digitales Ökosystem zu schaffen, das immer leistungsfähiger, intelligenter und heterogener wird, sodass schließlich ein einziges Netz der Netze entsteht.
Nachhaltigkeit: eine energieoptimierte, digitale Infrastruktur für eine bessere Umweltbilanz. Außerdem die Bereitstellung effektiver und nachhaltiger Digitalisierungswerkzeuge für die Wirtschaft, Gesellschaft und politische Entscheidungsträger weltweit.
Globale Abdeckung: effiziente und kostengünstige Lösungen, um eine globale Verfügbarkeit von Diensten zu ermöglichen, inklusive der Versorgung abgelegener Orte.
Außergewöhnliches Erleben: höchste Bitraten, extrem niedrige (nicht wahrnehmbare) Übertragungsverzögerung (Latenz), nahezu unbegrenzte Kapazität und präzise Lokalisierung und Sensorik.
Vertrauenswürdigkeit: Garantierte Vertraulichkeit und Integrität der Kommunikation sowie Gewährleistung von Datenschutz, Systemstabilität und Sicherheit.

Neben Hexa-X beteiligt sich Nokia aktiv an weiteren europäischen 6G-Forschungsinitiativen wie 6Genesis, einem von der Academy of Finland finanzierten und der Universität Oulu geleiteten nationalen 6G-Programm, und Horizon Europe Smart Networks and Services, dessen Ziel darin besteht, die Spitzenposition Europas bei der Entwicklung und Bereitstellung von Technologien der nächsten Generation zu festigen, und das gleichzeitig die Digitalisierung der europäischen Industrie beschleunigen soll.

Das Projekt Hexa-X beginnt am 1. Januar 2021 und ist auf zweieinhalb Jahre ausgelegt. Unter der Leitung von Nokia arbeitet im Rahmen von Hexa-X ein Konsortium europäischer Partner zusammen.

Weitere Quellen:

Webseite: Offizielle Website des Hexa-X-Projekts
Webseite: Forschungsseite zu den 6G-Initiativen der Nokia Bell Labs
White Paper: Nokia Bell Labs Communications in the 6G Era
Webseite: 5G-Standards und -Spitzenforschung der Nokia Bell Labs

Terahertz-Empfänger für 6G-Mobilfunknetze

11. September 2020

Zukünftige Mobilfunknetze der sechsten Generation (6G) werden aus vielen kleinen Funkzellen bestehen. Um sie drahtlos zu verbinden, bieten sich Frequenzen im Terahertz-Bereich (THz) an. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben ein neuartiges Konzept für einfache und kostengünstige Terahertz-Empfänger entwickelt, die aus einer einzigen Diode bestehen und diese mit einem speziellen Signalverarbeitungsverfahren kombinieren. Damit lässt sich im Experiment eine Datenübertragungsrate von 115 Gbit/s auf einer Trägerfrequenz von 0,3 THz über eine Entfernung von 110 Metern erreichen. Das berichtet das Team in der Zeitschrift Nature Photonics (DOI: 10.1038/s41566-020-0675-0).

Auf 5G wird 6G folgen: Die sechste Generation des Mobilfunks verspricht noch deutlich höhere Datenübertragungsraten, kürzere Verzögerungszeiten und eine größere Dichte an Endgeräten. Zudem soll sie Künstliche Intelligenz integrieren, um beispielsweise Geräte im Internet of Things oder autonome Fahrzeuge zu koordinieren. »Um möglichst viele Nutzer gleichzeitig zu bedienen und dabei möglichst große Datenmengen möglichst schnell zu übertragen, müssen die drahtlosen Netze der Zukunft aus zahlreichen kleinen Funkzellen bestehen«, erklärt Professor Christian Koos, der am KIT gemeinsam mit seinem Kollegen Professor Sebastian Randel an Technologien für 6G forscht. In diesen Funkzellen sind die Wege kurz, sodass sich große Datenraten mit minimalem Energieaufwand und geringer elektromagnetischer Immission übertragen lassen. Sie benötigen nur kleine Basisstationen, die sich beispielsweise an Straßenlaternen anbringen lassen.

Zur Anbindung der einzelnen Zellen bedarf es leistungsfähiger Funkstrecken, auf denen sich Dutzende oder gar Hunderte von Gigabits pro Sekunde (Gbit/s) auf einem Kanal übertragen lassen. Dazu bieten sich Frequenzen im Terahertz-Bereich an, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und der Infrarotstrahlung liegen. Allerdings sind die entsprechenden Empfänger noch vergleichsweise komplex und dementsprechend teuer; zudem stellen sie häufig den Engpass für die erreichbare Bandbreite dar. Forschende am Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ), am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) sowie am Institut für Beschleunigerphysik und Technologie (IBPT) des KIT haben nun gemeinsam mit dem Diodenhersteller Virginia Diodes (VDI) in Charlottesville/USA einen besonders einfachen und kostengünstig herzustellenden Empfänger für Terahertz-Signale entworfen und in der Zeitschrift Nature Photonics vorgestellt.

Mobilfunknetz der Zukunft: Extrem kleine Funkzellen (»Radio cell«, orange) sind über drahtlose Terahertz-Verbindungen (»High-capacity THz link«, grün) miteinander verknüpft. (Abbildung: IPQ, KIT / Nature Photonics)

Bislang höchste Datenrate mit drahtloser THz-Übertragung über mehr als 100 Meter

»Als Empfänger dient eine einzige Diode, mit der das Terahertz-Signal zunächst einmal gleichgerichtet wird«, erklärt Dr. Tobias Harter, der den Empfänger gemeinsam mit seinem Kollegen Christoph Füllner im Rahmen seiner Dissertation aufgebaut hat. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Schottky-Diode, die sich durch hohe Geschwindigkeit auszeichnet. Sie fungiert als Hüllkurvendetektor und gewinnt die Amplitude der Terahertz-Signale zurück. Allerdings wird zur korrekten Dekodierung des Datensignals zusätzlich noch die zeitlich veränderliche Phase der Terahertz-Welle benötigt, die beim Gleichrichten üblicherweise verloren geht. Um dieses Problem zu lösen, nutzen die Forscher digitale Signalverarbeitungsverfahren in Kombination mit einer speziellen Klasse an Datensignalen, bei denen sich die Phase mithilfe der sogenannten Kramers-Kronig-Relationen aus der Amplitude rekonstruieren lässt. Bei der Kramers-Kronig-Relation handelt es sich um eine mathematische Beziehung zwischen dem Real- und dem Imaginärteil eines analytischen Signals. Mit dem neuen Empfänger erreichten die Wissenschaftler eine Datenübertragungsrate von 115 Gbit/s auf einer Trägerfrequenz von 0,3 THz über eine Entfernung von 110 Metern. »Dies ist die höchste Datenrate, die bis jetzt mit drahtloser Terahertz-Übertragung über mehr als 100 Meter demonstriert wurde«, erläutert Füllner. Der am KIT entwickelte Terahertz-Empfänger zeichnet sich durch seinen einfachen Aufbau aus und bietet sich für eine kostengünstige Herstellung in großen Stückzahlen an.

Originalpublikation:

Harter, C. Füllner, J. N. Kemal, S. Ummethala, J. L. Steinmann, M. Brosi, J. L. Hesler, E. Bründermann, A.-S. Müller, W. Freude, S. Randel, C. Koos: Generalized Kramers-Kronig Receiver for Coherent THz Communications. Nature Photonics, 2020. DOI: 10.1038/s41566-020-0675-0.

Abstract unter https://www.nature.com/articles/s41566-020-0675-0

Details zum KIT-Zentrum Information · Systeme · Technologien (in englischer Sprache): http://www.kcist.kit.edu

Weitere Materialien:

Veröffentlichung in Nature Photonics: https://www.nature.com/articles/s41566-020-0675-0

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