6G kommt schneller als gedacht 6G braucht Resilienz

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Das „Mobilfunknetz der Zukunft“ muss schnell, sicher, resilient und nachhaltig sein. Mit seiner 6G-Initiative schafft das Bundesforschungsministerium (BMBF) die Grundlagen für die hochvernetzte Welt von morgen – im Teamwork von Wissenschaft, Industrie und KMU.

Vernetzt wird heute alles: Fußballstadien, Fabrikgelände, Innenstädte, kritische Infrastrukturen bis hin zu unseren Fitnessarmbändern. Kommunikationssysteme bzw. Netzwerke bilden das zentrale Nervensystem einer umfassend digitalisierten und hochvernetzten (Welt-)Wirtschaft und Gesellschaft. Und wie kein anderes Thema sind sie die Quelle für anstehende Innovationen: Autonomes Fahren, Industrie 4.0 oder Telemedizin.

Vieles hiervon erscheint mit dem Mobilfunkstandard 5G bereits möglich. Aber die Kommunikation für komplexe Zukunftsanwendungen in Echtzeit bzw. das Steuern von Dingen ohne Verzögerung erfordert ganz andere Leistungsparameter und vor allem Rahmenbedingungen. Diese Zukunft liegt nicht mehr in weiter Ferne, die Massenvermarktung des 6G-Standards könnte noch in diesem Jahrzehnt beginnen. Und die Bedeutung von 6G beruht nicht nur auf den Leistungskennziffern, sondern auch die sich am Horizont abzeichnende Quantenkommunikation hat die Chance, ein Teil von 6G-Systemen zu sein. 6G kann damit nicht nur schnell, sondern auch sehr sicher sein.

Resilienz

Digitale Systeme haben sich zu komplexen, intelligenten Infrastrukturen entwickelt, die immer neue Angriffsflächen bieten. Die aktuellen Netzwerke sind nur begrenzt in der Lage, auf unbekannte und unvorhersehbare Störungen, beispielsweise durch Angriffe, eigenständig ohne Mitwirkung des Menschen zu reagieren. Die Folgen für das Gesamtsystem können heute nur in geringem Umfang automatisiert gemindert oder gar beseitigt werden. Die kommenden resilienten Kommunikationssysteme sollen diese Schadwirkungen entscheidend mindern und eine möglichst uneingeschränkte Servicequalität selbst bei unvorhergesehenen und unbekannten Störungen gewährleisten („Self Awareness“).

Auch das 6G-Netz muss Angriffe, Ausfälle oder Überlast selbstständig erkennen, flexibel absorbieren und sich zeitnah sowie vollständig erholen. Hierfür wird beispielsweise ein ganzheitlicher Resilience-by-design und Security-by-design-Ansatz verfolgt, um die Resilienz und Sicherheit von Beginn an bereits beim Systementwurf miteinbeziehen. Dies wird sich auf allen Systemebenen widerspiegeln: 6G-Core/Cloud, 6G-RAN/Edge sowie in der Technologie und Hardware.

Sicherheit

Die Rekonfigurationsfähigkeit, die eine schnelle reaktive aber auch proaktive Adaption des Netzes ermöglicht, muss auch über entsprechende Schutzmechanismen verfügen. Es bedarf einer Kryptoagilität, die die Kopplung von „herkömmlichen“ Kryptoverfahren, Physical Layer Security und Post-Quanten-Kryptographie ermöglicht, um in 6G ein durchgängiges Mindestsicherheitsniveau zu erreichen. Sicherheit und Resilienz bilden deshalb ein Duopol für zukünftige industrielle wie auch gesellschaftliche Anwendungen.

Mehr noch: Der Schutz der Privatsphäre ist ein zentraler Bestandteil aller laufenden 6G-Forschungs­anstrengungen. Die erwartete Zunahme des Datenaustausches zwischen Fahrzeugen, Robotern, dem menschlichen Körper oder digitalen Erlebniswelten verlangt nach stringenten Datenschutzkonzepten, die Nutzenden die Kontrolle über persönliche Daten gewährt.

Leistung

Neue Funktechnologien und die Nutzung neuer Frequenzbänder im Bereich von 100 bis 300 GHz müssen geschaffen werden, um lokale Datenraten von mehr als 100 Gigabit/s zu ermöglichen. Es wird sogar davon gesprochen, dass bis zu 1 Terabit/s erreicht werden sollen. Hierbei werden künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen Beiträge liefern müssen, um 6G-Netze für verschiedene Zwecke und Anwendungen zu optimieren: Kommunikation, Abtastung und Ortung, um digitale Zwillinge von Objekten der realen Welt zu erzeugen, wie beispielsweise dem Maschinenpark in der Fabrikhalle.

Um eine bessere Programmierbarkeit zu gewährleisten, müssen die (Cloud- und) Edgearchitektur und Software-Konvergenz vorangetrieben werden. Latenzzeiten von unter einer Millisekunde bei einer fast perfekten Zuverlässigkeit (99,99… Prozent) stehen auf dem Aufgabenzettel der Forschung. Auch sollen bisher schlecht abgedeckte Gebiete durch Einbindung von Satelliten und Flugplattformen eine effektive Vernetzung erfahren dürfen. Zur Vollständigkeit sei gesagt, dass nicht alle Leistungsmerkmale zu jeder Zeit und jedem Ort verfügbar sein können, sondern nur dort, wo auch der Bedarf besteht.

Nachhaltigkeit

Bei der Entwicklung der kommenden Netze wird von Anfang an die Nachhaltigkeit eine zentrale Rolle spielen. Hierunter ist vor allem der Energieverbrauch zu verstehen, aber auch die digitale Integration in bestehende Infrastruktur stehen im Fokus, um insgesamt eine erschwingliche Lösung anzubieten. Denn eins ist klar: Wenn das zukünftige 6G-Netz im ähnlichen Maße Energie für die Übertragung von Daten verbraucht wie 5G, dann werden sich die Nachhaltigkeitsziele der UN nicht erreichen lassen.

Der Informations- und Kommunikationssektor kann in besonderer Weise zu Zielen der wirtschaftlichen, gesellschaftlichen und umweltbezogenen Nachhaltigkeit beitragen, da insbesondere die Netztechnologien als Querschnitts­technologien über alle Industriesektoren hinweg Wirkung entfalten können. Dazu gehört auch der verlängerte Lebenszyklus von Komponenten durch einen hohen Softwarisierungsgrad, der es ermöglicht, Aktualisierungen ressourcensparend und zu jeder Zeit durchzuführen.

Forschung und Wirtschaft

Um diese Ziele zu erreichen, braucht es ein strategisches Vorgehen bei der Förderung von Forschung zu 6G. Das Bundesforschungs­ministerium hat hierzu eine 6G-Forschungsinitiative gestartet und hat hierbei vier 6G-Forschungs-Hubs zur Förderung ausgewählt. Sie bündeln herausragende Fähigkeiten der besten Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Forschung zu zukünftigen Kommunikationstechnologien und 6G:

• 6GEM − 6G-Forschungs-Hub für offene, effiziente und sichere Mobilfunksysteme

• 6G-life − Digitale Transformation und Souveränität künftiger Kommunikationsnetze

• 6G-RIC − 6G Research and Innovation Cluster

• Open6Hub − für souveräne Bürgerinnen und Bürger in einer hochvernetzten Welt

Neben den wissenschaftlichen Forschungskooperationen spielt auch die Wirtschaft eine aktive Rolle in der 6G-Initiative des Bundesforschungsministeriums: Industriegetriebene Verbundprojekte schaffen die Grundlagen für eine umfassende Forschung zu Technologien für die nächste Generation mobiler Kommunikation, inklusive der dafür notwendigen fasergebundenen Kommunikation. Neben der Erforschung der technologischen Grundlagen für 6G stehen der nachhaltige Aufbau von Know-how in der Wirtschaft durch Kooperationen mit den Hubs und die Ausbildung von Fachexpertinnen und -experten in den Forschungseinrichtungen für den Telekommunikationssektor im Fokus. Eine „Plattform für zukünftige Kommunikationstechnologien und 6G“ begleitet die Aktivitäten der Hubs und der Industrieprojekte bündelt diese und treibt die internationale Vernetzung mit anderen nationalen 6G-Programmen voran.

Interview mit Peter Merz, Head of Nokia Standards, Nokia Corporation.

Security-Insider: Welche Rolle spielen Deutschland und Europa bei der Entwicklung von 6G?

Peter Merz: Europa beheimatet Spitzenreiter beim Thema digitale Infrastruktur. Nun geht es darum, die in Europa seit Jahrzehnten erfolgreich praktizierte Zusammenarbeit von öffentlichen und privaten Partnern fortzusetzen und auszubauen. Nationale Forschungsvorhaben ergänzen internationale Projekte wie insbesondere auch im Rahmen der EU. Im Industrieprojekt 6G-ANNA, welches Teil der deutschen Forschungsinitiative zu 6G ist, arbeiten beispielsweise 29 Unternehmen, Universitäten und Forschungseinrichtungen zusammen. Es sind mehrere internationale Konzerne wie Nokia beteiligt, die an vielen Standorten der Welt zu 6G forschen. Für 6G-ANNA hat Nokia frühzeitig die Führungsrolle eingenommen.

Security-Insider: Was verspricht sich Nokia von diesem Engagement?

Peter Merz: Das Leuchtturmprojekt 6G-ANNA konzentriert sich auf die Entwicklung einer ganzheitlichen 6G-Systemarchitektur und zielt mit seinen Lösungen auf die starken Branchen Deutschlands. Es werden jetzt die wichtigsten Technologiebereiche erforscht und in den nächsten Jahren die globalen Standards festgelegt. Wir wollen erreichen, dass Europa hier eine maßgebliche und führende Rolle einnimmt. Dies wird die globale Wettbewerbsposition der teilnehmenden deutschen und europäischen Technologieunternehmen sichern und Europas Anspruch an ein vertrauenswürdiges und resilientes 6G stärken.

Security-Insider: Welche grundlegenden Änderungen erwartet Nokia mit dem kommenden sechsten Mobilfunkstandard?

Peter Merz: 6G wird neue disruptive Innovationen hervorbringen und somit zusätzliche Anwendungsfelder erschließen, welche über 5G und 5G-Advanced hinausgehen. Zukünftige Netze werden die menschliche, die physikalische und die digitale Welt stärker miteinander verschmelzen. Wir erwarten, dass sich über die neue Technologie auch die Art und Weise, wie Menschen untereinander und zunehmend auch mit Maschinen und Robotern kommunizieren werden, in der Zukunft verändern wird. Als Beispiele seien hier Echtzeit-Hologramme, Network-Sensing sowie die Erweiterung von AI/ML im Netzwerk genannt

Industrieprojekte

Die begleitenden Industrieprojekte sind weiteres zentrales Instrument der 6G Forschungsförderung. Deutschland und Europa müssen 6G maßgeblich mitgestalten, frühzeitig technologische Grundlagen entwickeln und erforschte Lösungen patentrechtlich schützen. Es gilt das Fundament dafür legen, bei dieser Schlüsseltechnologie mit innovativen und international wettbewerbsfähigen Produkten wichtiger Akteur am globalen Markt zu werden und gleichzeitig den Wohlstand der Gesellschaft zu sichern. Das 6G-Ökosystem umfasst deshalb alle Technologieebenen, d.h. die Material-, Komponenten-, Mikroelektronik-, Modul- und Netzebenen (einschließlich IT-Sicherheit, Software und künstliche Intelligenz). Die ausgewählten Projekte decken mit ihren Schwerpunkten das komplette Ökosystem ab. Alle entwickelten Technologien werden auch für konkrete Anwendungsfälle demonstriert und validiert. Dies kann nur mit der Beteiligung der deutschen und europäischen Technologie- und Anwendungsunternehmen funktionieren, die die Hauptverantwortung bei der erfolgreichen Umsetzung in den zukünftigen 6G-Standard und in neuartige 6G-Produkte und -Dienstleistungen tragen.

Über den Autor

Prof. Dr.-Ing. Hans D. Schotten hat an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) den Lehrstuhl für Funkkommunikation und Navigation inne und leitet am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) den Forschungsbereich Intelligente Netze. Im September 2021 wurde Professor Dr. Schotten in den Rat für technologische Souveränität des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) berufen worden. Alle Informationen über laufende und kommende 6G-Forschungs- bzw. Förderaufträge werden vom BMBF quartalsweise über den Newsletter Vernetzung und Sicherheit digitaler Systeme zur Verfügung gestellt.

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