Nächste Generation von High-Speed Satellitenfunk

Wissenschaftlern der Universität Stuttgart ist es gelungen, eine Datenrate von 15 Gigabit pro Sekunde mit einer Richtfunk­strecke im E-Band über eine Distanz von über 15 Kilometer zu übertragen. Dies entspricht einer Verdreifachung der bisher möglichen Datenrate und Distanz. Die Übertragung war selbst bei Nebel und leichtem Regen möglich. Derartige Richtfunk­strecken können für die nächste Generation der Satelliten­kommuni­kation eingesetzt werden, bei der große Daten­mengen vom Satelliten durch die Erdatmosphäre zur Bodenstation gebracht werden müssen. Der gleiche Frequenzbereich ist aber auch für die terres­trische Daten­über­tragung zugelassen und erfährt aktuell weltweiten Aufschwung.

Immer höhere Anforderungen an die zu übertra­genden Daten­mengen, getrieben durch die ungebremst fortschrei­tende Entwicklung beim mobilen Medien­nutzungs­verhalten, erfordern neue Lösungs­ansätze für die kabellose Kommuni­kation mit extrem hohen Über­tragungs­geschwin­digkeiten. Durch die hohen verfügbaren Band­breiten eignen sich Frequenzen im E-Band zwischen 71 und 76 GHz sowie zwischen 81 und 86 GHz für terres­trische Anwen­dungen mit hohen Bitraten besonders gut. Darüber hinaus lässt die vergleichs­weise geringe Dämpfung der elektro­magnetischen Wellen durch atmo­sphärische Einflüsse in diesem Frequenz­bereich hohe Übertragungs­distanzen zu. Neben terres­trischen Anwendungen in der Mobil­kommuni­kation oder der Anbindung ländlicher Gegenden an das Breitband­internet macht der geringe Einfluss der Erdatmo­sphäre diesen Frequenz­bereich auch für die Anbindung von Satelliten interessant. So können auch bei widrigen Witterungs­bedingungen hohe Daten­mengen etwa von Erdbeob­achtungs­satelliten zur Erde gefunkt werden.

Im Rahmen eines vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt geförderten Projektes ist den Forschern nun ein Durch­bruch gelungen: Von einem Fernsehturm des Südwest­rundfunks aus konnten sie selbst bei widrigen Witterungs­bedingungen Datenraten bis zu 15 Gbit/s über eine Distanz von 15 km übertragen. Gegenüber dem heutigen Stand der Technik entspricht dies einer Steigerung um den Faktor drei, sowohl bei der Über­tragungs­distanz als auch bei der Datenrate. Datenrate und Distanz lassen sich dabei grundsätzlich in gewissen Grenzen zueinander verschieben. So konnte mit demselben Funksystem im Labor Daten­raten von bis zu 60 Gbit/s nachgewiesen werden.

Möglich wurde dieser Erfolg durch die parallele Umsetzung mehrerer technischer Inno­vationen: Leistungs­starke Sender und Empfänger im E-Band auf Basis moderner Halb­leiter­techno­logien des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Fest­körper­physik IAF sorgen für die Frequenz­umsetzung und Verstärkung der breit­bandigen Signale. Diese werden über stark gerichtete Parabol­antennen, entwickelt vom Projekt­partner Radiometer Physics, übertragen und empfangen. Modernste Messtechnik der Firma Keysight erlaubt die Generierung und Analyse der Funksignale mit Informa­tions­band­breiten bis zu 12 GHz. Derartig leistungsfähige Digital­schaltungen werden bisher vorrangig im Bereich der glasfaser-basierenden Kommu­nikation eingesetzt. Die Forscher der Universität Stuttgart entwickelten ein Konzept für deren Einsatz in der breit­bandigen Funk­kommuni­kation und wendeten dieses nun erstmals im Feld­versuch unter realen Bedingungen an.

Die bisherigen kommerziell verfügbaren Funksysteme sind auf Übertragungs­daten­raten von wenigen Gigabit pro Sekunde limitiert und erreichen diese auch nur unter optimalen Witterungs­bedingungen. Im Bereich der Kommuni­kations­forschung wurden bis dato maximal Distanzen bis zu fünf Kilometer mit vergleichbaren Datenraten erzielt. Mit aktuellen Ergebnissen eröffnen sich neue Horizonte und technische Freiheits­grade in der Entwicklung zukünftiger multi-Gigabit Übertragung in terres­trischen und satelliten­gestützten Richt­funksystemen.

US / OD