Princeton-Forscher biegen Funkstrahlen: So bleibt 6G stabil
Princeton-Forschende biegen Funkstrahlen mit KI – für stabile Datenübertragung trotz Hindernissen und als Basis für 6G.
Die Forscher verwendeten eine speziell entwickelte Metasurface, um die Übertragungen zu lenken.
Foto: Aaron Nathans/Princeton University
Die Datenmengen, die moderne Anwendungen wie Virtual Reality oder autonome Fahrzeuge erfordern, wachsen rasant. Klassische Funktechnologien geraten dabei an ihre Grenzen. Um die nötigen Geschwindigkeiten zu erreichen, rücken Ingenieurinnen und Ingenieure immer weiter in den Bereich sehr hoher Funkfrequenzen vor. Diese Sub-Terahertz-Bänder können ein Vielfaches der heutigen Datenraten liefern. Stichwort 6G.
Doch es gibt ein großes Problem: Schon kleine Hindernisse blockieren die Verbindung. Ein Mensch, der durchs Zimmer läuft, eine Handbewegung oder ein Regal im Weg – und der Datenstrom bricht ab. Für eine Zukunft, in der verlässliche Netze unverzichtbar sind, ist das keine gute Ausgangslage.
Der Sub-Terahertz-Bereich umfasst Frequenzen zwischen 100 und 300 Gigahertz. Sie liegen oberhalb der klassischen Mobilfunkfrequenzen und erlauben extrem schnelle Datenübertragungen – reagieren aber sehr empfindlich auf Hindernisse.
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Idee: Funkstrahlen in Kurven schicken
Ein Forschungsteam der Princeton University hat nun einen Ansatz vorgestellt, der das Problem entschärfen soll. Die Forschenden nutzen eine spezielle Form von Funkstrahlen, sogenannte Airy-Beams. Diese Strahlen können sich auf gekrümmten Bahnen bewegen. Anders gesagt: Sie nehmen keine gerade Linie, sondern weichen Hindernissen aus, indem sie sich biegen.
Ein gutes Bild dafür ist ein Fluss: Trifft das Wasser auf einen Stein, sucht es sich einen Weg darum herum. Der Strom reißt nicht einfach ab, sondern fließt weiter. Ähnlich verhalten sich die Funkstrahlen – sie „umspülen“ Hindernisse und erreichen dennoch den Empfänger.
Airy-Beams sind Strahlen, deren Intensität einer gekrümmten Bahn folgt. Sie können Hindernisse „umfließen“ und bleiben auch dann erhalten, wenn Teile des Strahls blockiert werden. Diese Eigenschaft macht sie für drahtlose Kommunikation interessant.
„Dies ist für komplexe Szenarien in Innenräumen gedacht, in denen keine Sichtverbindung besteht“, erklärt Haoze Chen, Doktorand in Princeton und Hauptautor der Studie. „Man möchte, dass sich die Verbindung daran anpasst.“
Die Grundidee stammt ursprünglich aus der Optik. Dort sind Airy-Strahlen schon länger bekannt, etwa für Anwendungen mit Laserlicht. Neu ist jedoch, sie für drahtlose Kommunikation zu nutzen.
KI findet den besten Weg
So einfach die Idee klingt, so schwierig ist die Umsetzung. Denn jede Umgebung ist anders. Mal steht ein Möbelstück im Weg, mal bewegen sich Menschen durch den Raum. Für jede Situation bräuchte der Funkstrahl eine andere Krümmung.
Klassische Rechenmethoden wären viel zu langsam, um das in Echtzeit zu berechnen. Das Team aus Princeton setzt deshalb auf maschinelles Lernen. Ein neuronales Netz – also ein KI-Modell, das an die Funktionsweise des Gehirns angelehnt ist – soll in Sekundenbruchteilen entscheiden, welche Strahlform am besten passt.
„Wir erzeugen nicht nur die Strahlen, sondern finden auch heraus, welche Strahlen in der jeweiligen Situation am besten funktionieren“, sagt Chen.
Wie beim Basketball
Damit das funktioniert, braucht die KI Training. Chen vergleicht den Prozess mit Basketballerinnen und Basketballern. Sie rechnen beim Wurf nicht jede Flugbahn durch, sondern entwickeln ein Gefühl dafür, wie viel Kraft und welche Richtung nötig sind. Ähnlich soll auch das neuronale Netz lernen, in welcher Situation welche Krümmung funktioniert.
Weil echtes Training mit realen Funkstrahlen viel zu lange dauern würde, nutzten die Forschenden Simulationen. Ein spezieller Simulator erzeugte virtuelle Umgebungen mit Hindernissen, durch die das System lernte, den besten Weg für die Strahlen zu finden.
Anpassung in Echtzeit
Das Besondere an dem Ansatz: Die Funkstrahlen lassen sich spontan neu ausrichten. Taucht ein neues Hindernis auf, verändert der Sender seine Strahlform und lenkt das Signal daran vorbei. So bleibt die Verbindung stabil, auch wenn sich die Umgebung ständig verändert.
Für Nutzerinnen und Nutzer könnte das bedeuten, dass Datenströme künftig nicht mehr abreißen, wenn jemand durchs Wohnzimmer läuft. Auch in Fabrikhallen, wo Roboter, Maschinen und Menschen gleichzeitig in Bewegung sind, könnten sich die Strahlen flexibel anpassen.
Airy-Beams im Test
Im Laborversuch zeigte das Forschungsteam, dass sich mit Airy-Beams Blockaden tatsächlich umgehen lassen. Die Funkwellen erreichten den Empfänger selbst dann, wenn Objekte im Weg standen. Gleichzeitig blieb die Übertragungsqualität stabil.
Die Technik lässt sich zudem breit einsetzen. Ob bei Virtual-Reality-Brillen, in Fahrzeugen oder für schnelle Datenleitungen in ländlichen Regionen – überall dort, wo große Datenmengen zuverlässig übertragen werden müssen, könnten gebogene Funkstrahlen helfen.
Warum 6G davon profitiert
Noch sind Netze der fünften Generation (5G) nicht flächendeckend ausgebaut. Doch die Entwicklung von 6G läuft längst. Für diese Mobilfunkgeneration gelten Datenraten im Sub-Terahertz-Bereich als Schlüssel. Nur hier lassen sich die extrem hohen Bandbreiten bereitstellen, die Anwendungen von morgen benötigen.
Yasaman Ghasempour, Assistenzprofessorin für Elektrotechnik in Princeton und Leiterin des Projekts, erklärt: „Da unsere Welt immer vernetzter und datenhungriger wird, steigt die Nachfrage nach drahtloser Bandbreite rasant an. Sub-Terahertz-Frequenzen eröffnen Möglichkeiten für weitaus höhere Geschwindigkeiten und Kapazitäten.“
Noch am Anfang, aber mit Potenzial
Die Forschenden betonen, dass sie am Anfang stehen. Bisher geht es vor allem darum, die Grundlagen zu verstehen und Methoden zu entwickeln, wie sich Strahlen gezielt steuern lassen.
„Diese Arbeit befasst sich mit einem seit langem bestehenden Problem, das bisher die Einführung solcher hohen Frequenzen in der dynamischen drahtlosen Kommunikation verhindert hat“, sagt Ghasempour. „Mit weiteren Fortschritten stellen wir uns Sender vor, die selbst in komplexesten Umgebungen intelligent navigieren können.“
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