Datenlawine im E-Band

Den Inhalt einer handelsüblichen DVD in zehn Sekunden per Funk zu übermitteln, ist unvorstellbar schnell – und ein neuer Welt­rekord der Daten­übertragung. Mit einer Datenrate von 6 Gigabit pro Sekunde über eine Entfernung von 37 Kilometern hat ein Forschung­sverbund unter Beteiligung von Forschern der Universität Stuttgart und des Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörper­physik IAF den Stand der Technik um den Faktor zehn übertroffen.

Durchgeführt wurde das Verbundprojekt ACCESS (Advanced E-Band Satellite Link Studies) von einer Forschungs­gruppe um Ingmar Kallfass vom Institut für Robuste Leistungs­halb­leiter­systeme (ILH) der Universität Stuttgart, dem Institut für Hoch­frequenz­technik und Elektro­technik (IHE) des KIT, der Radiometer Physics GmbH und dem Fraunhofer IAF.

Dem Team gelang die Rekord-Daten­übertragung auf einer Strecke zwischen Köln und dem 36,7 km entfernten Wachtberg. Die Stationen standen auf dem 45-stöckigen Uni-Center in Köln und dem Gelände des Weltraum­beobachtungs­radar TIRA am Fraunhofer-Institut für Hoch­frequenz­physik und Radar­technik (FHR) in Wachtberg.

Die extrem hohe Datenrate von 6 Gigabit pro Sekunde erzielte die Gruppe durch leistungs­fähige Sender und Empfänger bei einer Radio­frequenz von 71 bis 76 GHz im für den terrestrischen und Satelliten­funk freigegebenen „E-Band“. Nur in diesem Frequenzbereich mit Milli­meter­wellen stehen die erforderlichen hohen Nutz­band­breiten zur Verfügung. Nur hier lassen sich die enormen Daten­raten verwirklichen.

Eine weitere Schwierigkeit ist die Abschwächung der Signale über größere Entfernungen. Entsprechend stark muss man senden, entsprechend leistungs­fähig muss am Ende der Verstärker sein. Schlüssel zu der einzig­artigen Kombination aus Gigabit-Daten­rate und Höchst­distanz bilden die leistungs­fähigen Sender und Empfänger in Form voll monolithisch integrierter Milli­meter­wellen-Schaltungen (MMICs).

Den Schaltungen liegen zwei innovative Transistor­technologien zugrunde, die der Projektpartner Fraunhofer IAF entwickelt und hergestellt hat. Im Sender werden die breit­bandigen Signale mit Hilfe von Leistungs­verstärkern auf Basis des neuartigen Verbindungs­halb­leiters Gallium­nitrid auf eine vergleichs­weise hohe Sende­leistung von bis zu 1 Watt gebracht. Eine hoch gerichtete Parabol­antenne strahlt die Signale ab. Im Empfänger sind rausch­arme Empfangs­verstärker auf Basis von Höchst­geschwindigkeits-Transistoren, unter Verwendung von Indium-Gallium-Arsenid-Halbleiter­schichten mit sehr hoher Elektronen­beweglichkeit, eingebaut. Sie sorgen für die Detektion der über die Entfernung äußerst stark abgeschwächten Signale.

Die Übertragung hoher Datenmengen per Funk über große Distanzen dient einer Vielzahl wichtiger Anwendungs­gebiete: Die nächste Generation der Satelliten­kommunikation erfordert einen immer größeren Datenfluss von Erd­beobachtungs­satelliten zur Erde. Die Versorgung des ländlichen Raumes und entlegener Gebiete mit schnellem Internet ist bei einer Datenrate wie bei dem Versuch möglich. 250 Internet-Anschlüsse könnten mit 24 Megabit pro Sekunde ADSL versorgt werden. Terrestrische Funk­übertragung im E-Band eignet sich als kosten­effizienter Ersatz für das Verlegen von Glasfaser oder als Ad-hoc-Netz im Krisen- und Katastrophenfall, bis hin zur Verbindung von Basisstationen im Backhaul der Mobilkommunikation.

Dem ungebremst ansteigenden Bedarf an immer höheren Datenraten in faser­gebundenen und drahtlosen Kommunikations­netzen lässt sich nur mit technologischen Innovationen bei der Netz­infrastruktur begegnen. Moderne Entwicklungen wie das Internet der Dinge und Industrie 4.0 stehen darüber hinaus erst an ihrem Anfang. Sie verlangen nach bisher nie dagewesenen aggregierten Datenmengen. Deren Verarbeitung und Übertragung in Cloud-basierten Diensten bringt die Kommunikations­infra­struktur bereits heute an ihre Grenzen. Auch in der Satelliten­kommunikation führen die Fortschritte in der Erd­beobachtung und Weltraum­forschung sowie Pläne eines welt­umspannenden Satelliten­netzes zu bisher ungelösten Heraus­forderungen in der Kommunikations-Infra­struktur.

ACCESS wurde zum 30. April beendet und findet seine Fortsetzung im Nachfolge­projekt ELIPSE (E-Band Link Platform and Test for Satellite Communication). Ziel war die nächste Generation von Kommunikations­systemen für die schnelle Anbindung von Satelliten. Eine weitere Anwendung liegt aber auch im terrestrischen Richtfunk.

FH.-IAF / DE