ISAC: Funkwellen sehen ohne Kameras

Mobilfunk wird zum Radar: Die ISAC-Technologie erkennt Objekte und Vitaldaten allein durch Funkwellen. Ein technischer Einblick in das sehende Netz.

Bisher war die Sache klar: Eine Antenne schickt Daten, eine Kamera liefert Bilder. Diese Trennung löst sich gerade auf. In den Versuchsanordnungen des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS und des Forschungszentrums 6G-RIC übernimmt die Mobilfunkantenne eine neue Rolle. Die Technologie hinter diesem Wandel heißt Integrated Sensing and Communication (ISAC). Sie nutzt die Echos von Funksignalen, um die Umgebung räumlich zu erfassen. Das Netzwerk benötigt keine Linse mehr, um Hindernisse zu erkennen oder Bewegungen zu verfolgen. Es „spürt“ den Raum durch die Reflexion der Wellen, die ohnehin für die Kommunikation ausgesendet werden.

Das Echo als Informationsquelle

Die physikalische Basis für dieses sehende Netz liegt im Frequenzbereich oberhalb herkömmlicher Mobilfunkbänder. Genutzt werden Millimeterwellen ($mmWave$) und Frequenzen im Terahertz-Spektrum ($100 \text{ GHz bis } 10 \text{ THz}$). In diesen Bereichen verhalten sich elektromagnetische Wellen ähnlich wie Licht: Sie breiten sich geradlinig aus und prallen an fast jedem Gegenstand ab. Frühere Mobilfunkstandards sahen diese Reflexionen als lästige Störung an. Man musste sie mühsam herausfiltern, um die Datenrate stabil zu halten.

ISAC kehrt dieses Prinzip um. Die Reflexionen sind hier das eigentliche Ziel. Schlägt eine Welle an einem Objekt auf und kehrt zur Antenne zurück, liefert sie wertvolle Daten. Über die Laufzeitdifferenz ($Time of Flight$) lässt sich die Entfernung berechnen. Die Formel dahinter ist simpel: $d = \frac{c \cdot \Delta t}{2}$ – wobei $c$ die Lichtgeschwindigkeit und $\Delta t$ die Zeitverzögerung ist. Zusätzlich verrät die Doppler-Verschiebung $\Delta f = \frac{2v}{\lambda} \cos(\theta)$, wie schnell und in welche Richtung sich das Objekt bewegt. Das Netzwerk scannt den Raum somit kontinuierlich ab, ohne dass die betroffenen Personen einen Sender bei sich tragen müssen.

Kommunikation und Sensorik nutzen dieselben Bänder

Damit eine Antenne gleichzeitig surfen und scannen kann, muss das Signaldesign angepasst werden. Die International Telecommunication Union hat ISAC als eine der tragenden Säulen künftiger Standards definiert. Ein großes Thema ist dabei das sogenannte Waveform-Design. Klassische Verfahren wie OFDM stoßen bei sehr hohen Geschwindigkeiten an Grenzen. Neue Ansätze wie OTFS (Orthogonal Time Frequency Space) platzieren Daten direkt in einem Bereich, der unempfindlicher gegenüber Signalverzerrungen ist. Das erhöht die Genauigkeit der Ortung erheblich.

Ein praktischer Vorteil ist die Frequenzökonomie. Da Kommunikation und Sensorik dieselben Bänder nutzen, müssen keine exklusiven Frequenzen für Radaranwendungen reserviert werden. Das senkt die Kosten für die Betreiber und schont die knappe Ressource Spektrum.

Sicherheit an der Straßenecke: Kooperative Wahrnehmung

Im städtischen Umfeld bietet das Radio Sensing Lösungen für klassische Gefahrenpunkte. Ein autonomes Fahrzeug verlässt sich auf seine eigenen Sensoren, doch diese haben keine Röntgenaugen. Sie sehen nicht durch eine Hauswand oder einen querstehenden LKW. Hier springt die lokale Basisstation ein. Da Funkwellen an Oberflächen abprallen, können sie Informationen über Ecken transportieren.

Basisstationen an Kreuzungen erfassen Verkehrsteilnehmer, die für das Auto noch verdeckt sind. Die Antenne „sieht“ das Kind, das hinter einem Transporter auf die Fahrbahn tritt. Diese Information wird über $V2X$-Protokolle (Vehicle-to-Everything) in Millisekunden an das Fahrzeug geschickt. Forschungsberichte von Nokia Bell Labs zeigen, dass diese Form der kooperativen Wahrnehmung die Reaktionszeit in unübersichtlichen Situationen deutlich verkürzt. Ein entscheidender Punkt: Funkwellen stören sich nicht an Dunkelheit, dichtem Nebel oder Platzregen. Also an Bedingungen, unter denen Kameras oft versagen.

Die Fabrik der Zukunft kommt ohne Zäune aus

In der Industrie ermöglicht ISAC den Aufbau von Arbeitsumgebungen, in denen Mensch und Roboter ohne Trenngitter kooperieren. Das Netzwerk erstellt in Echtzeit einen digitalen Zwilling der Werkshalle. Die Sensoren „wissen“, wo jeder Gabelstapler fährt und wo ein Mitarbeiter gerade ein Bauteil montiert.

In den Testfeldern wird demonstriert, wie Sicherheitszonen dynamisch mitwandern. Registriert das Netz eine menschliche Annäherung an einen Roboterarm, wird die Maschine verlangsamt. Anders als optische Laserscanner, die oft nur eine Sichtlinie abdecken, erfasst das Funkfeld den gesamten Raum. Auch Objekte hinter Regalen hinterlassen ihre Signatur in der Signalverteilung. Laut Analysen von Ericsson lassen sich so die Kosten für die physische Absicherung von Anlagen senken, da die Mobilfunkantenne die Überwachung als Zusatzfunktion miterledigt.

Vitaldaten aus der Distanz: Monitoring ohne Berührung

Ein sensibler Bereich für ISAC ist das Gesundheitswesen. Die Auflösung im Terahertz-Bereich ist hoch genug, um Bewegungen im Millimeterbereich zu erfassen. Das reicht aus, um die Atemfrequenz oder den Herzschlag einer Person zu messen, ohne dass diese ein Gerät am Körper tragen muss. Das System nutzt die Phasenverschiebung des reflektierten Signals, die durch die mechanische Bewegung des Brustkorbs entsteht.

Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology konnten nachweisen, dass dieses Verfahren sogar durch Kleidung oder Bettdecken hindurch funktioniert. In der Pflege ist das ein großer Vorteil für die Sturzerkennung. Kameras in Schlafzimmern oder Bädern werden oft als Eingriff in die Privatsphäre abgelehnt. ISAC hingegen liefert nur abstrakte Punktwolken. Man sieht, dass jemand gestürzt ist, aber man sieht keine nackte Haut oder identifizierbare Gesichter. Die Anonymität bleibt gewahrt, während die Sicherheit steigt.

Rechenpower am Rand: Edge Computing als Voraussetzung

Radio Sensing erzeugt enorme Datenmengen. Ein hochauflösender Scan einer Fabrikhalle im Terahertz-Bereich schickt pro Sekunde mehrere Gigabyte an Rohdaten ins Netz. Diese Daten in eine ferne Cloud zu schicken, würde viel zu lange dauern. Die Entscheidung, ob ein Notstopp eingeleitet werden muss, darf nicht von der Internetleitung abhängen.

Die Signalverarbeitung erfolgt daher über Multi-access Edge Computing (MEC). Das bedeutet, dass die Rechenpower direkt an der Basisstation sitzt. Spezialisierte KI-Modelle filtern das Rauschen heraus und unterscheiden zwischen einer wehenden Plastiktüte und einem Hindernis. Hardware-Hersteller wie Huawei entwickeln Prozessoren, die genau auf diese Art der Datenverarbeitung optimiert sind. Diese dezentrale Intelligenz ist das Gehirn des sehenden Netzes.

Ressourcen sparen durch Funktionsintegration

Über den technischen Nutzen hinaus spielt die Nachhaltigkeit eine Rolle. Wenn die Mobilfunkinfrastruktur die Aufgaben von Radar und Kameras übernimmt, muss weniger Hardware produziert werden. Es entfallen Tausende Kilometer Kabel, Gehäuse aus Kunststoff und optische Linsen aus Glas. Das spart Energie in der Herstellung und reduziert den Elektroschrott am Ende der Laufzeit.

Die 3GPP-Organisation arbeitet derzeit an den Standards für die kommenden Releases, um ISAC weltweit einheitlich zu regeln. Dabei geht es auch um Energieeffizienz: Da die Funkwellen für das Surfen ohnehin gesendet werden, ist der zusätzliche Stromverbrauch für die Sensorauswertung im Vergleich zu separaten Systemen gering. Es ist eine Doppelnutzung der elektromagnetischen Energie.

Die Schattenseite: Privatsphäre und Kontrolle

Die Fähigkeit, durch Wände zu „sehen“, wirft rechtliche Fragen auf. Zwar entstehen keine Fotos, aber die Bewegungsmuster sind präzise. Wer darf diese Daten sehen? Wem gehört das Echo meines Körpers im öffentlichen Raum?

Die Europäische Union prüft im Rahmen des AI Act und der DSGVO, wie diese Technologie reguliert werden muss. Es gilt, einen Missbrauch für illegale Überwachung zu verhindern. Technisch arbeiten Forscher bereits an „Privacy-by-Design“-Lösungen, bei denen die Daten schon an der Antenne anonymisiert werden, bevor sie verarbeitet werden.

Ein neues Nervensystem für die Industrie

Mit ISAC wandelt sich die Funkwelle vom reinen Datenträger zum universellen Messwerkzeug. Die Mobilfunknetze der Zukunft werden zu einem wahrnehmenden Nervensystem für unsere Umwelt. Für Unternehmen bedeutet das eine drastische Vereinfachung ihrer Infrastruktur. Autonome Systeme werden sicherer, Städte effizienter und die Pflege diskreter. Das sehende Netz ist keine ferne Vision, sondern die logische Folge einer Entwicklung, bei der Information und physikalische Wahrnehmung zu einer Einheit verschmelzen. Es ist die Technologie, die ohne Augen sieht und ohne Berührung versteht und damit die Art und Weise, wie wir unsere Umwelt digitalisieren, dauerhaft verändert.