Beyond 5G mit ARIADNE 26.05.2020, 08:30 Uhr

Mit künstlicher Intelligenz die Mobilfunk-Netze verbessern

Fraunhofer-Forscher arbeiten am Mobilfunknetz der Zukunft, und das soll über die derzeit angepeilte 5G-Generation hinausgehen. Im EU-Projekt ARIADNE sollen hohe Frequenzbänder und künstliche Intelligenz dazu betragen, die Funkverbindungen weiter zu verbessern.

Illustration 5G

5G soll zu einer perfekten Vernetzung führen. Doch der neue Mobilfunkstandard hat noch Schwächen.

Foto: Panthermedia.net/cherezoff (YAYMicro)

Es steht außer Frage, dass moderne Mobilfunkstandards an Bedeutung gewinnen. Die Digitalisierung nimmt permanent zu. Daher ist es nicht nur wichtig, möglichst flächendeckend mit dem Smartphone guten Empfang zu haben. Zahlreiche Apps erleichtern das Arbeitsleben und funktionieren oftmals nur mit einem Zugang zu einer Datencloud oder zum World Wide Web. Auch die Weiterentwicklung der Industrie 4.0 hängt zum Teil also von der Qualität der Funkverbindungen ab. Der Mobilfunk der 5. Generation (5G) steht in den Startlöchern und wird aktuell in vielen europäischen Staaten ausgebaut. Bis er in Deutschland überall verfügbar ist, wird aber noch einiges an Zeit vergehen. Trotzdem steht jetzt schon fest: 5G wird auf Dauer nicht ausreichen.

Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg beteiligen sich daher an dem EU-Projekt Artificial Intelligence Aided D-band Network for 5G Long Term Evolution (ARIADNE). Denn sie kennen bereits jetzt vielversprechende Ansätze, um problematische Signalüberlagerungen zu umgehen. Die sollen weiterentwickelt werden für eine fortschrittliche Systemarchitektur: Beyond 5G, frei übersetzt also „über 5G hinaus“.

Verbindungsstörungen im städtischen Raum

Von 5G versprechen sich Telekommunikationsexperten eine deutliche Verbesserung des Mobilfunkstandards, vor allem durch die hohen Frequenzen, die zu hohen Übertragungsraten führen. Unproblematisch ist die neue Technologie jedoch nicht. In dem Projekt Ariadne haben sich daher elf europäische Partner zusammengeschlossen, um 5G zu optimieren. Dafür wollen sie mit hohen Frequenzbändern und künstlicher Intelligenz arbeiten.

Denn für die hohe Frequenz wird ein gerichtetes System verwendet, das in der Regel eine Sichtverbindung braucht, genannt Line-of-Sight (LOS). Faktisch müssen sich Sender und Empfänger also sehen können, was vor allem im städtischen Raum nicht gewährleistet werden kann. Das Ergebnis sind Verbindungsstörungen. Schuld ist der sogenannte Auslöschungseffekt. Dieser Effekt läuft folgendermaßen ab: Ein Signal wird über eine Sichtverbindung übertragen und gleichzeitig über Reflexionen kopiert. Dabei überlagert die Kopie das Signal aus der Sichtverbindung und löscht es aus. Es kommt dementsprechend nicht an. Das Problem ist bekannt

Sind Frequenzen im D-Band die Lösung?

Basis einer zuverlässigen Mobilfunkkommunikation, die im Rahmen von ARIADNE entstehen soll, könnten Frequenzen im D-Band sein (130 bis 174,8 Gigahertz, GHz). Es eignet sich nach Angaben der Forscher hervorragend für den schnellen Datenverkehr. Da dieses Band jedoch in mehrere Teilbänder unterteilt ist, wäre es nötig, die bisher eingesetzte Funk-Systemarchitektur inklusive der entsprechenden Netzsteuerung anzupassen. In dem Projekt sollen die dafür nötigen Hardware-Komponenten entstehen. Außerdem wollen die Wissenschaftler Metaoberflächen erforschen und künstliche Intelligenz beziehungsweise maschinelles Lernen einsetzen, um eine geeignete Netzsteuerung zu entwickeln.

Das Fraunhofer IAF hat Erfahrung mit dem Thema Hochfrequenzelektronik und arbeitet daher an neuen Funktechnologien für das D-Band. „Unser Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung von neuen Funkmodulen mit höchster spektraler Effizienz, die die Frequenz-Diversität ausnutzen und eine Steuerschnittstelle für die Optimierung im Netz bieten“, sagt Thomas Merkle, Projektkoordinator aufseiten des Fraunhofer IAF. Dabei möchten die Fraunhofer-Forscher erstmals eine eigene Entwicklung aus Silizium einsetzen (20-nm-InGaAs-HEMT-Technologie).

Reflektoren für eine sichere Verbindung

Erforscht werden auch sogenannte Metaoberflächen. Dabei handelt es sich um verstellbare Reflektoren für Funkwellen, die Netzsteuerungsproblemen im städtischen Raum beheben sollen. Vereinfacht gesagt, sollen sie die Funkwellen reflektieren und so ihre Ausbreitung garantieren, auch wenn es keine Sichtverbindung gibt. „Das Konzept der Metaoberflächen wird für 5G bereits teilweise umgesetzt, allerdings bislang nur für niedrige Frequenzen. Je höher die Frequenz der Funkverbindung, desto feiner müssen die Mikrostrukturen an der Oberfläche sein und für Frequenzen im D-Band sind die Strukturen sehr aufwendig in der Herstellung“, erklärt Merkle. Die Forscher planen Versuche mit kleinen Metaoberflächen an Antennen, die der Strahlschwenkung und -bündelung dienen (Reflect Arrays). Sie könnten gegebenenfalls günstiger hergestellt werden.

Zu guter Letzt sollen künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen das Netzmanagement verbessern. So soll ein System entstehen, das einerseits Schwierigkeiten identifiziert und darauf reagiert. Andererseits soll es sogar in der Lage sein, Probleme im Vorfeld zu erkennen und zu umgehen.

Das Ergebnis soll ein funktionierendes Testsystem sein: Beyond 5G.

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