Schneller und effizienter funken

Mindestens acht Milliarden über Mobilfunk vernetzte mobile Geräte gibt es aktuell weltweit. Chatten mit Freunden und der Familie, unterwegs Videos anschauen, online spielen oder einfach im Internet surfen – das funktioniert reibungslos und preiswert. Aber wird das auch bei einer wachsenden Zahl von Nutzern und dem damit steigendem Daten­volumen so bleiben? „Wir stehen an einer Schwelle”, sagt Rüdiger Quay vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg. „Bisher sind es vor allem Menschen, die drahtlos über das Internet miteinander kommunizieren. Zukünftig kommen Autos, Geräte oder Produktions­maschinen dazu.”

Für diese Visionen von der Industrie 4.0 oder dem autonomen Fahren ist jedoch Funk­kommunikation in Echtzeit notwendig. Benötigt werden Daten­übertragungs­raten von 10 Gigabit pro Sekunde. Der heutige 4G-LTE-Mobilfunk­standard ist jedoch maximal für 300 Megabit pro Sekunde ausgelegt und nicht echtzeit­fähig. Aktuell wird im Schnitt mobil mit einer durch­schnittlichen Spitzen­rate von 50 Megabit pro Sekunde im Internet gesurft. Deswegen arbeiten Mobilfunk­anbieter und Netzwerk­ausrüster zusammen mit Forschern am leistungs­fähigeren Standard 5G. Er soll es beispielsweise ermöglichen, Live-Videos in hoher Qualität mobil zu übertragen.

Wichtiger Baustein im Mobilfunknetz sind die Basis­stationen. Sie sind das Nadelöhr, durch das alle Daten müssen. Das IAF hat besonderes Knowhow, dieses Nadelöhr breiter zu machen. Die Forscher entwickeln Leistungs­verstärker, die in der Lage sind, mehr Daten schneller und energie­effizienter durch das Mobilfunk­netz zu schicken. „Neue Leistungs­verstärker stellen die notwendigen Funk­frequenzen bereit, über die Daten übertragen werden”, erklärt Quay. Für 5G werden im ersten Schritt zusätzliche Funk­frequenzen bis 6 Gigahertz freigemacht. Für LTE ist bisher bei 2,7 Gigahertz Schluss. „Höhere Frequenzen bedeuten eine schnelle Daten­übertragung, aber leider auch weniger verfügbare Leistung für die Sender”, sagt Quay. Die Wissenschaftler fertigen die wenige Quadrat­millimeter großen Mikro­chips daher aus dem Halbleiter Galliumnitrid (GaN). „Durch seine spezielle Kristall­struktur können auch bei hohen Frequenzen dieselben Spannungen angelegt, sprich mehr Leistung erzielt werden”, sagt Quay. Im EU-Projekt Flex5Gware testet das Institut Prototypen bis zu Frequenzen von 6 Gigahertz bereits erfolgreich.

Die Übertragung von Daten per Funk kostet Energie für jedes übertragene Bit. „Das macht alleine bis zu etwa 15 Prozent unserer Mobilfunk­rechnung aus”, erklärt Quay. Jedes Bit an Information benötigt einen bestimmten, konstanten Energie­betrag, wenn es per Funk übertragen wird. Mit 5G sollen im Vergleich zu heute 200 mal mehr Bits mit vergleich­barer Energie übertragen werden. „Für 5G muss die Energie­effizienz der Mobil­funk­kommunikation daher alleine aus Gründen der Nachhaltig­keit deutlich steigen”, sagt Quay. Aktuell können Basis­stationen nur mit sehr hohem Energie­aufwand hohe Datenraten übertragen. Der Grund: Sie pusten Funkwellen ungerichtet in die Luft. Mit neuen steuerbaren Antennen und GaN-basierten Leistungs­verstärkern erreichen Informationen dagegen punkt­genau den Empfänger. Das spart eine große Menge an Energie. Bestückt mit der Technologie der Freiburger Forscher richten sich die Antennen der Basis­stationen elektronisch zum Empfänger hin aus. „Sie funktionieren wie das menschliche Ohr: Wir wissen aus welcher Richtung Geräusche kommen, ohne unseren Kopf zu drehen”, erklärt der Physiker.

Die Rohstoffe für GaN stehen in großen Mengen zur Verfügung. Stickstoff kann aus der Luft gewonnen werden und Gallium ist ein Abfall­produkt bei der Metall­verarbeitung. GaN ist wichtiger Bestandteil von blauen und weißen LEDs. Der Erfolg dieser Licht­technologie hat dazu beigetragen, dass die Herstellung von GaN immer günstiger wird. Mittlerweile übersteigen die Strom­einsparungen im Betrieb die Produktions­kosten des im Vergleich zum Silizium noch teureren GaN.

Fh.-Ges. / DE