Integrated Sensing and Communication (ISAC): wenn das 6G-Netz wahrnehmen lernt

Was wäre, wenn das Mobilfunknetz, das Ihre Daten überträgt, gleichzeitig die Welt um Sie herum wahrnehmen könnte? Integrated Sensing and Communication, kurz ISAC, macht genau das möglich. Diese bahnbrechende Technologie kombiniert drahtlose Datenkommunikation mit radarartiger Sensorik in einem einzigen integrierten System. Für 6G wird ISAC als eine der transformativsten Innovationen betrachtet, die das Mobilfunknetz von einer reinen Kommunikationsplattform zu einem umfassenden Wahrnehmungs- und Kommunikationssystem erweitert.

Was ist ISAC?

Integrated Sensing and Communication ist ein technologisches Konzept, bei dem dieselben drahtlosen Signale, dieselbe Hardware und dieselbe Infrastruktur gleichzeitig für zwei grundlegend verschiedene Zwecke eingesetzt werden: das Senden und Empfangen von Daten (Kommunikation) und die Wahrnehmung der physischen Umgebung (Sensing). Im Wesentlichen erhält das Kommunikationsnetzwerk einen Wahrnehmungssinn.

Traditionell sind Kommunikation und Sensorik getrennte Domänen. Mobilfunknetze sind für den Datentransport konzipiert, während Radarsysteme speziell gebaut sind, um Objekte zu detektieren, Positionen zu bestimmen und Bewegungen zu verfolgen. Jedes System hat seine eigene Hardware, Frequenzbänder und Infrastruktur. ISAC durchbricht diese Trennung, indem beide Funktionen in ein einziges System integriert werden, das effizienter, kostengünstiger und leistungsfähiger ist als zwei separate Systeme.

Das Konzept ist nicht völlig neu. Bereits in militärischen Anwendungen wird mit kombinierten Radar-Kommunikationssystemen experimentiert. Aber die Anwendung im kommerziellen Maßstab als integraler Bestandteil des öffentlichen Mobilfunknetzes ist ein grundlegend neuer Schritt, der erst mit der Einführung von 6G-Technologie realistisch wird — dank der Verfügbarkeit höherer Frequenzen und fortschrittlicher Signalverarbeitung.

Dual-Function-Radar und -Kommunikation

Das Herzstück von ISAC ist das Dual-Function-Konzept: ein einzelnes Signal, das gleichzeitig Daten transportiert und die Umgebung scannt. Dies funktioniert auf Basis einer fundamentalen Eigenschaft von Funksignalen: Wenn ein ausgesendetes Signal auf ein Objekt trifft, wird ein Teil der Energie reflektiert. Durch die Analyse dieser Reflexionen kann das System Informationen über Position, Geschwindigkeit, Größe und Bewegungsrichtung von Objekten in der Umgebung ableiten.

In einem ISAC-System sendet die Basisstation ein Signal aus, das so gestaltet ist, dass es sowohl Datenkommunikation als auch Sensing optimal unterstützt. Der Empfänger decodiert die Kommunikationsdaten aus dem Signal, während die Basisstation gleichzeitig die Reflexionen desselben Signals analysiert, um ein Bild der Umgebung zu erstellen. Die Basisstation fungiert damit gleichzeitig als Kommunikationsknoten und als Radarsensor.

Die Leistung des Sensing-Aspekts hängt direkt von der verwendeten Frequenz und Bandbreite ab. Höhere Frequenzen bieten eine bessere räumliche Auflösung, und breitere Bandbreiten verbessern die Entfernungsauflösung. Genau aus diesem Grund passen ISAC und 6G so gut zusammen: Die Terahertz-Frequenzen und breiten Bandbreiten, die 6G kennzeichnen, sind ideal für hochwertige Sensorik.

Wie funktioniert ISAC technisch?

Geteilte Wellenformen

Eine der Kernherausforderungen von ISAC ist der Entwurf von Wellenformen, die sowohl für Kommunikation als auch für Sensing geeignet sind. Kommunikationssignale sind auf zuverlässigen Datentransport optimiert, während Radarsignale für maximale Detektionsempfindlichkeit ausgelegt sind. ISAC erfordert Wellenformen, die eine Balance zwischen beiden Anforderungen finden.

Forscher haben verschiedene Ansätze entwickelt. Beim kommunikationsorientierten Ansatz werden Standard-Kommunikationssignale (wie OFDM, das auch in 4G und 5G verwendet wird) für Sensing genutzt, indem die Reflexionen dieser Signale analysiert werden. Beim Sensing-orientierten Ansatz werden Radarwellenformen angepasst, um auch Kommunikationsdaten zu tragen. Die vielversprechendste Richtung ist der Entwurf vollständig neuer, integrierter Wellenformen, die von Grund auf für die optimale Unterstützung beider Funktionen konzipiert sind.

Fortschrittliche Signalverarbeitung

Die Signalverarbeitung in einem ISAC-System ist erheblich komplexer als in einem reinen Kommunikations- oder Radarsystem. Das System muss gleichzeitig Kommunikationsdaten aus empfangenen Signalen extrahieren und Sensing-Informationen aus Reflexionen ableiten. Dies erfordert fortschrittliche Algorithmen, die beide Aufgaben parallel ausführen, ohne sich gegenseitig zu stören.

Moderne ISAC-Systeme machen intensiven Gebrauch von Machine Learning für die Signalverarbeitung. KI-Algorithmen sind besonders effektiv bei der Trennung von Kommunikations- und Sensing-Komponenten in komplexen Signalgemischen, beim Filtern von Rauschen und Interferenz und bei der Interpretation von Sensing-Daten zur Erstellung eines aussagekräftigen Umgebungsbildes. Die enge Verbindung mit KI-nativen Netzwerkarchitekturen ermöglicht diese fortschrittliche Verarbeitung in dem Maßstab, der für ein landesweites 6G-Netz erforderlich ist.

Vorteile gegenüber getrennten Systemen

Die Integration von Sensing und Kommunikation bietet substanzielle Vorteile gegenüber dem Nebeneinander getrennter Systeme. Der unmittelbarste Vorteil ist spektrale Effizienz: Anstatt separates Spektrum für Kommunikation und Radar zuzuweisen, wird dasselbe Spektrum für beides genutzt. Angesichts der zunehmenden Knappheit nutzbaren Spektrums ist dies ein bedeutender Vorteil.

Darüber hinaus werden Hardware und Infrastruktur geteilt. Basisstationen, die bereits überall für Mobilkommunikation installiert sind, benötigen lediglich Software-Updates und begrenzte Hardware-Anpassungen, um auch als Sensoren zu fungieren. Dies spart die enormen Kosten für den Aufbau eines separaten Sensornetzes mit vergleichbarer Abdeckung.

Die Synergie zwischen Kommunikation und Sensing liefert auch funktionale Vorteile. Sensing-Daten können die Kommunikation verbessern: Wenn das Netzwerk weiß, wo sich Nutzer befinden und wie sie sich bewegen, kann es die Bündelformung proaktiv anpassen. Umgekehrt verbessert die Kommunikationskapazität die Sensorik: Erkannte Objektinformationen können in Echtzeit mit anderen Netzknoten geteilt werden, um ein vollständigeres Umgebungsbild zu erstellen.

ISAC und autonome Fahrzeuge

Eines der eindrucksvollsten Anwendungsgebiete von ISAC ist die Unterstützung autonomer Fahrzeuge. Selbstfahrende Autos sind heute auf eingebaute Sensoren wie Kameras, Lidar und Radar angewiesen. Diese Sensoren haben inhärente Einschränkungen: Ihre Reichweite ist begrenzt, sie können nicht um Ecken blicken und sie funktionieren bei schlechten Wetterbedingungen schlechter.

Ein ISAC-ausgestattetes 6G-Netz kann als ergänzendes Sensorsystem dienen, das diese Einschränkungen kompensiert. Das Netzwerk erkennt Fahrzeuge, Radfahrer und Fußgänger im gesamten Abdeckungsbereich und teilt diese Informationen in Echtzeit mit autonomen Fahrzeugen. Ein Auto, das sich einer Kreuzung nähert, erhält über das Netzwerk Informationen über Verkehr aus einer Seitenstraße, der für die eigenen Sensoren noch nicht sichtbar ist.

Dieses Konzept, auch als „Network-Assisted Perception" bezeichnet, fügt dem autonomen Fahren eine zusätzliche Sicherheitsebene hinzu. Das Netzwerk fungiert als allsehendes Auge, das Informationen aus Tausenden fester und mobiler Punkte sammelt und zu einem kohärenten Verkehrsbild zusammenführt. Die niedrige Latenz von 6G garantiert, dass diese Informationen rechtzeitig für kritische Entscheidungen verfügbar sind. Die breitere Auswirkung von 6G auf die Mobilität wird auf unserer Seite über 6G-Anwendungen besprochen.

Gestenerkennung und Interaktion

ISAC ermöglicht eine völlig neue Form der menschlichen Interaktion mit digitalen Systemen: kontaktlose Gestenerkennung über das Mobilfunknetz. Die hohen Frequenzen und breiten Bandbreiten von 6G bieten ausreichende Auflösung, um subtile Handbewegungen und Gesten zu erkennen und zu interpretieren.

In der Praxis bedeutet dies, dass Nutzer Geräte mit Gesten steuern können, ohne Touchscreens, Tasten oder Sprachbefehle zu nutzen. Eine Handbewegung in der Luft kann ein Licht einschalten, eine Präsentation steuern oder die Musiklautstärke anpassen. Im Gegensatz zu kamerabasierten Systemen funktioniert die ISAC-Gestenerkennung auch im Dunkeln und beinhaltet keinen visuellen Eingriff in die Privatsphäre.

Der Gesundheitsbereich bietet besonders wertvolle Anwendungen. ISAC kann Sturzerkennung bei älteren Menschen durchführen, ohne dass Kameras oder Wearables erforderlich sind. Das Netzwerk erkennt ungewöhnliche Bewegungsmuster — wie einen plötzlichen Sturz gefolgt von längerer Unbeweglichkeit — und sendet automatisch einen Alarm. Auch Atmung und Schlafmuster können kontaktlos überwacht werden.

Umweltmonitoring und Smart Cities

Auf Stadtebene bietet ISAC beispiellose Möglichkeiten für Umweltmonitoring und Stadtmanagement. Das 6G-Netz kann die städtische Umgebung kontinuierlich scannen und Daten über Verkehrsströme, Luftverschmutzung, Wetterbedingungen und die strukturelle Integrität der Infrastruktur sammeln.

Verkehrsmanagement ist eine naheliegende Anwendung. ISAC-ausgestattete Basisstationen erkennen in Echtzeit die Anzahl der Fahrzeuge, deren Geschwindigkeiten und Fahrtrichtungen auf Straßen und Kreuzungen. Diese Daten können genutzt werden, um Ampeln dynamisch zu steuern, Staus vorherzusagen und Umleitungsrouten zu aktivieren. Im Gegensatz zu aktuellen Systemen auf Basis von Induktionsschleifen oder Kameras bietet ISAC ein flächendeckendes, detailliertes Verkehrsbild ohne zusätzliche Sensorinfrastruktur.

Umwelterkennung geht über den Verkehr hinaus. ISAC-Signale sind empfindlich für Veränderungen in der atmosphärischen Zusammensetzung. Durch die Analyse von Reflexionsmustern kann das Netzwerk Informationen über Niederschlag, Luftfeuchtigkeit und sogar die Anwesenheit bestimmter Gase ableiten. Dies transformiert das 6G-Netz zu einem großflächigen Umweltmessnetz, das kontinuierlich und in Echtzeit Daten über die städtische Lebensumgebung sammelt.

Forschung und Standardisierung

ISAC genießt weltweit große Aufmerksamkeit sowohl in der akademischen Gemeinschaft als auch in der Industrie. Die IEEE, das größte internationale Ingenieursinstitut, hat ISAC als eine der Kerntechnologien für zukünftige drahtlose Systeme benannt. Innerhalb von 3GPP ist Sensing als Studiethema aufgenommen worden, was den Weg für eine formale Standardisierung bereitet.

Große Telekommunikationshersteller investieren erheblich in ISAC-Forschung. Huawei hat integrierte Sensing-Kommunikation auf Sub-6-GHz-Frequenzen demonstriert. Nokia und Ericsson arbeiten an Millimeterwellen-ISAC-Systemen mit höherer Auflösung. Akademische Einrichtungen weltweit veröffentlichen Tausende von Artikeln pro Jahr zu ISAC-bezogenen Themen — von Wellenformdesign bis zu KI-gesteuerten Sensing-Algorithmen.

In Europa läuft die ISAC-Forschung über das Horizon-Europe-Programm und nationale Forschungsinitiativen. Deutsche Wissenseinrichtungen, darunter die TU Dresden, die TU München, die Universität Stuttgart und das Fraunhofer HHI, nehmen an mehreren europäischen Projekten teil, die ISAC-Prototypen entwickeln und in realen Umgebungen testen. Die Zusammenarbeit zwischen Telekommunikationsunternehmen und dem Automobilsektor ist dabei besonders relevant, angesichts der Rolle von ISAC in zukünftigen Mobilitätssystemen.

ISAC als Säule von 6G

Im 6G-Zeitalter entwickelt sich ISAC von einer ergänzenden Funktionalität zu einer Kernsäule des Netzwerks. Die Vision ist ein Netzwerk, das nicht nur kommuniziert, sondern auch wahrnimmt, versteht und auf die physische Welt reagiert. Dieses Konzept wird manchmal als „Networked Sensing Paradigm" bezeichnet: das gesamte Mobilfunknetz als verteiltes Sensorsystem.

Die Konvergenz von ISAC mit anderen 6G-Technologien verstärkt die Möglichkeiten erheblich. Terahertz-Frequenzen bieten die Auflösung, die für millimetergenaue Sensorik erforderlich ist. KI-native Netzwerkarchitekturen liefern die Verarbeitungsleistung, um die enormen Mengen an Sensing-Daten in Echtzeit zu interpretieren. RIS-Paneele können eingesetzt werden, um Sensing-Signale gezielt zu lenken und so die Abdeckung und Genauigkeit des Sensorsystems zu verbessern.

Die gesellschaftliche Auswirkung breit einsetzbarer ISAC-Technologie ist potenziell enorm. Von sichereren Straßen durch netzwerkunterstütztes autonomes Fahren über präventive Gesundheitsversorgung durch kontaktlose Überwachung, von effizienteren Städten durch Echtzeit-Umgebungswahrnehmung bis zu neuen Formen der menschlichen Interaktion mit Technologie — ISAC transformiert das 6G-Netz von einer Datenautobahn zu einer intelligenten Infrastruktur, die die physische und digitale Welt verbindet. Entdecken Sie, wie ISAC mit allen anderen Durchbruchstechnologien zusammenwirkt, auf unserer 6G-Technologie-Übersichtsseite.

Häufig gestellte Fragen zu ISAC