Der künftige Mobilfunkstandard 5G 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. Vor diesem Hintergrund arbeiten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF gemeinsam mit Wissenschaftlern des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts (HHI) und weiteren Kooperationspartnern aus Industrie und Forschung im Rahmen des EU-geförderten Projekts Terranova bereits am übernächsten Mobilfunkstandard 6G. 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.

Von der Glasfaser in die Luft

Eine Möglichkeit, hohe Datenraten zur Verfügung zu stellen, liegt im Ausbau des Glasfasernetzes. Das ist mit hohen Kosten verbunden und löst andererseits nicht die Herausforderung, mobile Geräte mit hohen Datenraten zu versorgen. Dementsprechend verfolgen die Fraunhofer-Forscher einen anderen Ansatz: Sie suchen nach Möglichkeiten, die Glasfasertechnologie mit der Richtfunkübertragung zu verbinden. Jedoch 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“, erläutert Projektleiter Dr. Thomas Merkle vom Fraunhofer IAF. „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 bei 6G hingegen steht genügend Bandbreite zum Erreichen von Datenraten bis zu 400 Gigabit pro Sekunde zur Verfügung. Merkle weiter: „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.“

Vom WLAN ins Mobilfunknetz

6G

Die Fraunhofer-Gesellschaft forscht im Umfeld des Kommunikationsstandards 6G. Im Bild zu sehen ist ein Funktionsprototyp eines 300 GHz Mehrkanal-Funksystems zur weiteren Integration als System-on-Chip. Fraunhofer-Gesellschaft

Die Bandbreite ist eine zentrale Fragestellung. Das liegt vor allem daran, dass immer mehr Endgeräte und Bereiche an der Kommunikation teilnehmen. „Dabei geht es jedoch nicht allein um die Geschwindigkeit der Datenübertragung“, sagt Dr. Colja Schubert, Gruppenleiter Optische Untersee- und Kernnetze beim Fraunhofer HHI. 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. „Es gibt allerdings derzeit keinen fließenden Übergang zwischen den Zugangsarten, sodass es bei einem Wechsel zu Unterbrechungen kommt“, so Schubert weiter. Im Rahmen von Terranova solle das Erleben und Erfahren für den Nutzer so gestaltet werden, dass er Übergänge zwischen den Zugangstechnologien gar nicht bemerke.

Alternative zu klassischen Glasfasernetzen

Auf dem Weg zur übernächsten Mobilfunkgeneration 6G bestehen zahlreiche offene Fragestellungen, sowohl was die einzelnen Komponenten als auch das Zusammenspiel aller Netzelemente angeht. Dabei fokussiert sich das Fraunhofer IAF vor allem auf die Funkstrecke und die Integration von Funkmodulen auf Chipebene. Das HHI hingegen erforscht die Signalverarbeitung, 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.

In enger Zusammenarbeit entwickeln und testen die Forscher des Fraunhofer IAF und des HHI die Hardware-Implementationen der zukunftsfähigen Netzstruktur. Während das HHI seine Kompetenz im Bereich Netzkonzepte und fundierte Erfahrung aus zahlreichen 5G-Projekten sowie der Glasfaseroptik miteinbringt, steuert das IAF seine Erfahrung aus der Hochfrequenzrichtfunktechnik und Millimeterwellentechnik im analogen Bereich bei.