Hoch hinaus

Richtfunk im THz-Bereich mit 100 GBit/s für 5G-Stationen

Mit einer Richtfunkstrecke im Terahertz-(THz)-Bereich, die 100 GBit/s oder mehr kann, will Fraunhofer gemeinsam mit verschiedenen Universitäten beweisen, dass die Technik funktioniert.
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Für die nächsten Mobil­funk­generationen wird alles noch mal um einige Faktoren größer und schneller werden müssen. 5G startet aktuell mit 5G-NR. "NR" steht für "New Radio", eine neue Definition oder besser Weiter­ent­wicklung der Funkübertragung, die weiterhin auf OFDMA (Orthogonale Frequenz­ver­teilung) beruht, aber noch wesentlich stabiler und robuster und frequenz­ökonomischer als LTE (4G) ist. "5G-NR" ist der weltweit erste Standard im Rahmen der nächsten Mobil­funk­generation "5G". Die Normung steht beim Normen­komitee 3GPP (3rd Generation Project Partner­ship) kurz vor der Fertig­stellung.

Schon heute werden Datenverkehrsdichten von mehreren Terabyte (1 Terabyte = 1024 Gigabyte) pro Sekunde und pro Quadratkilometer vorhergesagt. Für die Verbindung zum Mobiltelefon der Zukunft werden immer mehr Mobilfunkzellen, die nur einen kleinen Bereich abdecken, benötigt, um allen Nutzern die gewünschten sehr hohen Datenraten zu bieten. Jede dieser Zellen muss aber mit einem "Backhaul" (Rückgrat) an das Datennetz eines Mobilfunkanbieters angebunden werden.

Nicht immer ist eine Glasfaseranbindung zum Sender eine gute Option. Vielleicht weil zuviel gegraben werden muss oder weil eine gemietete Glasfaser schlicht zu teuer ist. Die Alternative war bisher schon eine Richtfunkanbindung, künftig aber mit aus heutiger Sicht extrem hoher Kapazität und Zuverlässigkeit.

"ThoR" gibt nochmal richtig Gas

Der "Terahertz"-Frequenzbereich bietet Bandbreiten mit mehrere GHz am Stück für Backhaul-und Fronthaulverbindungen bei 5G und später 6G
Der "Terahertz"-Frequenzbereich bietet Bandbreiten mit mehrere GHz am Stück für Backhaul-und Fronthaulverbindungen bei 5G und später 6G
Beim Projekt "ThoR" arbeiten Forscherinnen und Forscher aus Europa und Japan zusammen mit Herstellern und Anwendern an der Herausforderung, die dafür notwendigen riesigen Datenmengen über eine Richtfunkstrecke im Terahertz-Bereich (1 THz = 1000 GHz = 1 000 000 MHz) als Backhaul in das Kernnetz der Mobilfunkanbieter zu übertragen.

Anwendungen zukünftiger THz-Backhaul-Links in zellularen Netzen

Im ThoR-Konsortium arbeiten "führende japanische und europäische Akteure" aus Industrie, Forschung und Entwicklung sowie der Wissenschaft zusammen. Ihre Vorarbeiten definieren den sogenannten "Stand der Technik" in der Terahertz-Kommunikation.

Die Koordination liegt bei der Technischen Universität Braunschweig gemeinsam mit der Waseda University in Japan. Geplant ist nicht nur, technische Lösungen für das Backhauling und Fronthauling zu entwickeln und zu untersuchen, sondern auch die Technik in einer realen Umgebung zu zeigen.

Der Frequenzbereich unterhalb von 275 GHz ist heute schon intensiv genutzt. Die Möglichkeiten zur Steigerung der Übertragungsraten werden aufgrund der begrenzten Bandbreiten immer komplexer. Fortschritte in der Halbleitertechnik ermöglichen neuerdings Kommunikationssysteme über 275 GHz. Der sogenannte "THz-Frequenzbereich" liegt zwischen 300 GHz, und 3 THz bietet riesige Bandbreiten von mehreren 10 GHz am Stück. Aber auch dort ist bereits "Aktivität". Deswegen dürfen die neuen "Terahertz"-Anwendungen die sogenannten "passiven Dienste", wie die Erdbeobachtung und die Radioastronomie nicht mit Interferenzen stören.

Kompatibilität zu bestehenden Anwendungen

Also wird ein wichtiges ThoR-Teilprojekt die Verträglichkeit mit den passiven Diensten untersuchen. Die Ergebnisse fließen in die Vorbereitung der Weltfunkkonferenz ein, die im Oktober 2019 in Sharm el-Sheikh (Ägypten) stattfinden wird.

Bereits im Jahr 2017 verabschiedete IEEE 802, eine Projektgruppe des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), den ersten Standard IEEE 802.15.3d unter dem Titel "100 Gbps Wireless Switched Point-to-Point Physical Layer" für die THz-Kommunikation unter der Federführung von Forscherinnen und Forschern aus Deutschland und Japan.

THz-Richtfunkstrecke soll zeigen, was geht

So können superschnelle Terahertz-(THz)-Verbindungen in Zukunft  eingesetzt werden (schematisches Bild).en (schematisches Bild).
So können superschnelle Terahertz-(THz)-Verbindungen in Zukunft eingesetzt werden (schematisches Bild).
Das ThoR-Projekt wird mit dem Aufbau einer THz-Richtfunkstrecke erstmalig die enorm hohen Echtzeit-Übertragungsraten von bis zu 100 GBit/s zeigen und damit den IEEE-Standard für einen Backhaul oder Fronthaul ausprobieren.

Rein zum Vergleich: Bisher erreichen die für 5G geplanten drahtlosen Backhauls nur bis zu 10 GBit/s.

High-Tech vom Feinsten

Alle Technologiepartner steuern allermodernste Chipsätze und Modems sowie weitere Bauteile für die Richtfunkstrecke bei. ThoR wird europäische und japanische hochmoderne photonische und elektronische Technologien einsetzen.

Das erlaubt, einen Transceiver (Sende-Empfänger) mit extrem hoher Bandbreite und hohem Dynamikbereich zu bauen, der bei 300 GHz arbeiten wird, kombiniert mit hochmodernen digitalen Signalverarbeitungseinheiten.

Der Frequenzbereich bei 300 GHz wird auch bei der für in etwa 10-15 Jahren kommenden "6G"-Technologie (auf der Homepage von ThoR-Project noch als "Beyond 5G (B5G)" bezeichnet, eine wichtige Rolle spielen.

Wer macht bei ThoR mit?

Das ThoR-Projekt wird von der EU durch das Forschungsrahmenprogramm "Horizon 2020" und vom National Institute of Information and Communications Technology in Japan mit insgesamt drei Millionen Euro gefördert. Das Projekt startete am 1. Juli und endet am 30. Juni 2021.

In Deutschland sind neben der Technischen Universität Braunschweig noch die Universität Stuttgart, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und die Deutsche Telekom (Deutschland/Tschechien) mit im Projekt, ferner Universitäten und Unternehmen in Japan, Frankreich und in Israel.

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