Perspektiven für 5G und darüber hinaus: Erste THz-Richtfunkstrecke mit bis zu 100 Gbit/s

Die Standardisierung von 5G NR, dem weltweit ersten Standard der nächsten Mobilfunkgeneration „5G“, steht kurz vor der Vollendung. Schon heute werden Datenverkehrsdichten von mehreren Terabytes pro Sekunde und pro Quadratkilometer prognostiziert. Für die Verbindung zum Mobiltelefon werden immer mehr Mobilfunkzellen, die nur einen kleinen Bereich abdecken, benötigt, um allen Nutzern die gewünschten hohen Datenraten zu bieten. Jede dieser Zellen muss mit einem „Backhaul“ an das Datennetz eines Mobilfunkanbieters angebunden werden. Nicht immer ist eine Glasfaseranbindung eine gute Option. – Im Projekt „ThoR“ stellen sich Forscherinnen und Forscher aus Europa und Japan zusammen mit Herstellern und Anwendern der Herausforderung, diese immensen Datenmengen mittels THz-Richtfunkstrecken als Backhaul in das Kernnetz der Mobilfunkanbieter zu übertragen.

Das ThoR-Konsortium vereint führende japanische und europäische Akteure aus Industrie, Forschung und Entwicklung sowie der Wissenschaft, deren Vorarbeiten den Stand der Technik in der Terahertz-Kommunikation definieren. Die Koordination übernimmt die Technische 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 Demonstration in einer realen Umgebung. Die Universität Stuttgart ist in ThoR zuständig für die Konzeption und den Entwurf der integrierten Terahertz Sende- und Empfangsschaltungen und ist bei der Planung und Durchführung der Datenübertragungsexperimente beteiligt.

Der Frequenzbereich unterhalb 275 GHz ist intensiv genutzt. Die Möglichkeiten zur Steigerung der Übertragungsraten werden aufgrund der begrenzten Bandbreiten immer komplexer. Fortschritte in der Halbleitertechnik ermöglichen neuerdings Kommunikationssysteme bei über 275 GHz. Der THz-Frequenzbereich zwischen 300 GHz und 3 THz bietet riesige Bandbreiten von mehreren 10 GHz – solange die sogenannten passiven Dienste wie die Erdbeobachtung und die Radioastronomie nicht durch Interferenzen gestört werden. Ein wichtiges ThoR-Teilprojekt untersucht daher die Verträglichkeit mit den passiven Diensten. Die Ergebnisse fließen in die Vorbereitung der Weltfunkkonferenz in Sharm el-Sheikh, Ägypten, im Oktober 2019 ein. Bereits im Jahr 2017 verabschiedete IEEE 802, eine Projektgruppe des Institute of Electrical and Electronics Engineers, den ersten Standard IEEE 802.15.3d "100 Gbps Wireless Switched Point-to-Point Physical Layer" für die THz-Kommunikation unter der Federführung von Forscherinnen und Forschern aus Deutschland und Japan.

Das ThoR-Projekt realisiert mit dem Aufbau einer THz-Richtfunkstrecke erstmals die enorm hohen Echtzeit-Übertragungsraten von bis zu 100 Gbit/s und implementiert erstmals den neuen IEEE-Standard für einen Backhaul oder Fronthaul. Im Vergleich dazu: Bisher erreichen die für 5G geplanten drahtlosen Backhauls nur bis zu 10 Gbit/s. Ein Highlight zum Projektende wird die Demonstration der Richtfunkstrecke mit realen Daten.

Die Technologiepartner steuern modernste 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 mit extrem hoher Bandbreite und hohem Dynamikbereich zu bauen, der bei 300 GHz arbeitet, kombiniert mit hochmodernen digitalen Signalverarbeitungseinheiten.

Das ThoR-Projekt wird von der EU durch das Forschungsrahmenprogramm Horizon 2020 (Grant Agreement 814523) und vom National Institute of Information and Communications Technology in Japan mit insgesamt drei Millionen Euro gefördert. Das Projekt startete am 1. Juli 2018 und endet am 30. Juni 2021.

Partner des ThoR-Projektes:

Technische Universität Braunschweig (EU-Koordinator, Deutschland), Waseda University (Japan-Koordinator, Japan), Chiba Institute of Technology (Japan), Gifu University (Japan), Universität Stuttgart (Deutschland), Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF (Deutschland), University of Lille (Frankreich), HRCP (Japan), Vivid Components Ltd. (Großbritannien), Siklu Communication Ltd. (Israel), NEC Corporation (Japan) und Deutsche Telekom (Deutschland/Tschechien).