Höhere Datenrate mit Terahertzwellen

Schon heute zeichnet sich ab, dass die Datenraten des kommenden Mobilfunk­standards 5G den wachsenden Daten­hunger von privaten Nutzern und Industrie nicht lange wird stillen können. Daher forschen Fraun­hofer-Experten mit Partnern aus Industrie und Forschung bereits heute im Rahmen des EU-Projekts Terra­nova an 6G. Bis Ende 2019 arbeitet das Team daran, Terahertz-Funk­lösungen in Glasfaser­netze mit hohen Daten­raten einzu­betten, neue Frequenz­bänder zu erschließen und so den Weg für eine belastbare Daten­infrastruktur zu schaffen, die bereit für die Anfor­derungen der Zukunft ist.

Die Einführung des heute gängigen Mobil­funk­standards 4G im Jahr 2010 ermöglichte erstmals Daten­übertragungs­raten auf dem Niveau von Festnetz­internet­zugängen auf mobilen Endgeräten. Dadurch wurden viele Anwendungen, die Mobil­nutzer heute gewohnt sind, erst möglich. Beispiele sind Video­telefonie, Über­tragung von Video-on-Demand auf das Handy oder auch die Vernetzung von Maschinen und Autos. Doch der Daten­hunger wächst und wächst, sodass auch die vergleichs­weise hohe LTE-Daten­rate von bis zu einem Gigabit pro Sekunde immer öfter einen limi­tierenden Faktor für neue Anwendungen darstellt. Dabei steigt der Bedarf nach schnelleren Verbin­dungen nicht nur bei Handy­nutzern sondern auch in der Industrie, denn die wachsende Zahl der vernetzen Geräte und Maschinen generiert immer größere Daten­ströme, die möglichst schnell und störungs­frei übertragen werden müssen.

Entsprechend steht die nächste Mobilfunk­generation, 5G, schon in den Start­löchern. Der künftige Mobilfunk­standard verspricht eine enorme Leistungs­steigerung in der drahtlosen Kommu­nikation mit bis zu zehn Gigabit pro Sekunde. Doch schon jetzt zeichnet sich ab, dass die vorhan­denen Frequenz­bänder in Zukunft nicht ausreichen werden, um die steigende Nachfrage nach stabiler drahtloser Kommu­nikation zu bedienen. Aus diesem Grund arbeiten Forscher des Fraun­hofer-Instituts für Ange­wandte Festkörper­physik IAF gemeinsam mit Wissen­schaftlern des Fraunhofer-Instituts für Nachrichten­technik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI und weiteren Partnern aus Industrie und Forschung im Rahmen des EU-geför­derten Projekts Terra­nova, bereits heute am über­nächsten Mobilfunk­standard. Ziel ist es, eine Netz­verbindung im Terahertz-Frequenz­bereich zu ermög­lichen, die so stabil ist, dass Daten auch drahtlos mit einer Geschwin­digkeit von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde trans­portiert werden können.

Eine Möglich­keit, hohe Daten­raten zur Verfügung zu stellen, liegt im Ausbau des Glasfaser­netzes. Doch das ist einer­seits mit hohen Kosten verbunden und löst anderer­seits nicht die Heraus­forderung, mobile Geräte mit hohen Daten­raten zu versorgen. Die Lösung: Die Forscher verbinden die Glasfaser­techno­logie mit der Richtfunk­über­tragung. Aller­dings sind die Frequenzen, auf denen sich Mobilfunk derzeit bewegt, zu niedrig, um die Bandbreite bereit­zustellen, die für eine Übertragung auf Glasfaser­niveau nötig ist. „Grund­sätzlich gilt: Je niedriger die Frequenz, desto weniger Band­breite. Um auf der Funk­strecke eine Daten­rate zu erreichen, die mit der Glasfaser vergleich­bar ist, muss daher auf Frequenzen im Tera­hertz-Bereich gesendet werden. Diese haben zwar eine niedrigere Reich­weite als Frequenzen im Megahertz-Bereich, verfügen aber über eine deutlich höhere Band­breite. So liegen die Fre­quenzen bei 4G im Bereich von 800 bis 2600 Mega­hertz und damit bei einer Bandbreite von maximal einem Gigabit pro Sekunde. Bei Frequenzen im Tera­hertz-Bereich hingegen steht genügend Band­breite zum Erreichen von Daten­raten bis zu 400 Gigabit pro Sekunde zur Verfügung“, erläutert Projekt­leiter Thomas Merkle vom Fraun­hofer IAF. „Aus diesem Grund arbeiten wir an einem Transfer von optischer zu draht­loser Daten­übertragung, das heißt, wir wollen das Potenzial, das in der Glasfaser liegt, voll aus­schöpfen, es aber nicht auf das Kabel beschränken, sondern auch auf die Funk­strecke übertragen.“

Die Bandbreite ist eine zentrale Heraus­forderung. Das liegt vor allem daran, dass immer mehr Endgeräte und Bereiche an der Kommu­nikation teil­nehmen – vom Handy bis zum Auto, vom Smart Home bis zur Industrie 4.0. „Dabei geht es jedoch nicht allein um die Geschwin­digkeit der Daten­übertragung. Eine weitere Heraus­forderung, die im Rahmen des Projekts angegangen wird, ist der nahtlose Übergang zwischen den ver­schiedenen Zugangs­technologien. Schon heute wechseln mobile Nutzer je nach Verfüg­barkeit zwischen Mobil­funknetz und WLAN, und bei Laptops kommt zusätz­lich die Möglich­keit hinzu, sich über Kabel­verbindungen ins Internet einzuwählen. Es gibt allerdings derzeit keinen fließenden Über­gang zwischen den Zugangs­arten, sodass es bei einem Wechsel zu Unter­brechungen kommt“, erklärt Colja Schubert, Gruppen­leiter Optische Untersee- und Kernnetze im Fraun­hofer HHI. „Im Rahmen von Terra­nova soll das Erleben und Erfahren für den Nutzer so gestaltet werden, dass er Übergänge zwischen den Zugangs­technologien gar nicht bemerkt.“

Auf dem Weg zur über­nächsten Mobilfunk­generation gilt es zahlreiche Heraus­forderungen zu meistern, sowohl was die einzelnen Komponenten als auch was das Zusammen­spiel aller Netz­elemente angeht. Dabei kommen den beiden Fraun­hofer-Instituten zentrale Aufgaben­bereiche zu: So fokussiert sich das Fraun­hofer IAF vor allem auf die Funkstrecke und die Integration von Funk­modulen auf Chipebene. Eine der Heraus­forderungen dabei ist es, eine Basisband­schnittstelle zur Glasfaser zu inte­grieren und die Umsetzung der Signale auf dem Chip zu berück­sichtigen. Das Fraun­hofer HHI hingegen erforscht die Signal­prozessierung, also die Aufbe­reitung der Signale, sodass diese möglichst störungs­frei von der Antenne abgestrahlt werden können. Diese Signal­verarbeitung muss bei sehr hohen Geschwin­digkeiten geschehen, wofür spezielle Algo­rithmen entwickelt werden müssen, die die Signal­verarbeitung möglichst effizient und damit energie­sparend umsetzen.

In enger Zusammen­arbeit entwickeln und testen die Forscher die Hardware-Implemen­tationen der zukunfts­fähigen Netz­struktur. Dabei ergänzen sich die unter­schiedlichen Schwer­punkte der beiden Institute. Während das Fraunhofer HHI seine Kompetenz im Bereich Netz­konzepte und fundierte Erfahrung aus zahl­reichen 5G-Projekten sowie der Glasfaser­optik mitein­bringt, steuert das Fraunhofer IAF seine Erfahrung aus der Hochfrequenz­richtfunk­technik und Millimeter­wellen­technik im analogen Bereich bei. Gerade weil diese Bereiche oft getrennt von­einander bearbeitet werden, liegt in der Koopera­tion der beiden Institute großes Potenzial für den lang­fristigen Ausbau des Internet.

FhG / JOL