Über 5G hinaus: Funkarchitektur und KI für die Zukunft der Telekommunikation weiterentwickelt
5G verbreitet sich immer schneller: Laut einer Prognose von Ericsson werden Ende 2023 1,5 Mrd. Nutzende im Netz angemeldet sein. Im Vergleich zu vorherigen Netzgenerationen bietet 5G unter anderem schnellere Verbindungen, weniger Latenz und mehr Stabilität. In der Wissenschaft sind bereits die nächsten Schritte in Arbeit: Eine Art intelligente Kommunikationssystem, das noch über 5G hinaus geht. Das EU-finanzierte Projekt ARIADNE wurde ins Leben gerufen, um die Forschung an diesem neuen System voranzutreiben, indem eine fortschrittliche Hochfrequenz-Funkarchitektur und ein Netzverarbeitungs- und -verwaltungskonzept mit künstlicher Intelligenz (KI) integriert werden. Dabei geht es um die langfristige Vision allgegenwärtiger mobiler virtueller Dienste anstelle lokaler Netzverbesserungen für den aktuellen 5G-Standard.
Technischen Fortschritt erreichen
„Das verfügbare Frequenzspektrum wird in derzeitigen Kommunikationsnetzen von immer mehr neuen und meist beanspruchenden Anwendungen und Diensten belegt. Daher müssen höhere Frequenzbereiche effizient genutzt werden, indem neue Technologien und AI-gestütztes Ressourcenmanagement für Netze angewendet wird. So können alle Kommunikationsanforderungen der Zukunft erfüllt werden“, erklärt Halid Hrasnica, Projektkoordinator bei ARIADNE. Aus diesem Grund war ein Schwerpunkt des Projekts, neue Funktechnologien für die Kommunikation im D-Band, also dem Frequenzbereich zwischen 110 und 170 GHz, zu entwickeln. Die Forschenden richteten erfolgreich eine Punkt-zu-Punkt-Sichtverbindung in Echtzeit im D-Band ein, die im Bereich 150 bis 160 GHz betrieben wurde. Über die Verbindung konnten Daten über 226 Meter mit einer Datenrate von 13 Gbit/s pro Träger (32-Quadraturamplitudenmodulation) übertragen werden. Dabei wurde eine fehlerfreie Duplexkommunikation mit Frequenzteilung sichergestellt. Der zweite Schwerpunkt der Forschung war eine fortgeschrittene Konnektivität auf der Grundlage passiver rekonfigurierbarer intelligenter Metasurfaces, einer innovativen Technologie, mit der die Leistung, Kosten und der Einsatz in 5G/6G-Netzen ausgebaut werden könnte. Mittels der Metasurfaces werden elektromagnetische Wellen kontrolliert und flexibel manipuliert, wodurch die Netzabdeckung deutlich ausgeweitet wird. Die ARIADNE-Forschenden bauten einen Hardware-Demonstrator (siehe Bild) und zeigten die anomal reflektierenden Metasurfaces, von denen Millimeterfunkwellen in schwierigen Umgebungen zu Empfängern umgeleitet wurden, wobei Hindernisse wie Wände überwunden wurden.
Maschinelles Lernen und KI
Um die Herausforderungen der Hochfrequenzkommunikation zu bewältigen und die Metasurfaces zu kontrollieren, testete das Team verschiedene Verfahren des maschinellen Lernens und mit KI. „Meist konnte der Kommunikationskanal mit diesen Verfahren leichter modelliert werden, und auch die Netzverwaltung und -planung insgesamt wurde erleichtert“, berichtet Hrasnica. Maschinelles Lernen und KI wurden eingesetzt, um die rekonfigurierbaren intelligenten Metasurfaces besser einzusetzen und die physikalische Schicht der drahtlosen D-Band-Kommunikation zu optimieren, einschließlich Lokalisierungsdiensten und Beamforming für eine bessere Signalfokussierung und Abdeckung. Zudem konnten Protokolle für den Kanalzugriff und die Zuweisung der Netzressourcen verbessert werden. Die Technologien erwiesen sich auch bei der Netzplanung als nützlich, insbesondere bei der Positionierung von Netzknoten und Metasurfaces.
Nächste Schritte
Die Forschenden arbeiteten an allgemeinen Anwendungsfällen, auch Verbindungen zwischen Standorten auf Dächern und auf Bodenhöhe, sowie an Konnektivität mit rekonfigurierbaren intelligenten Metasurfaces ohne Sichtverbindungen. Sie befassten sich auch mit der dynamischen Ad-hoc-Konnektivität in einem sich bewegenden Netz, zum Beispiel Fahrzeug-zu-Fahrzeug- und Fahrzeug-zu-X-Konnektivität, die für Anwendungen wie das autonome Fahren von entscheidender Bedeutung ist. Laut Hrasnica müssen das ARIADNE-Konzept und die geleisteten Erfolge weiterentwickelt werden, um in künftige drahtlose Kommunikationsnetze integriert werden zu können. „Um dies zu erreichen, ergreifen die Industriepartner des Projekts bereits die entsprechenden konkreten Maßnahmen.“
Schlüsselbegriffe
ARIADNE, KI, 5G, Telekommunikation, künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen, 6G
