Beyond 5G – der übernächste Schritt

Bis Ende 2019 arbeitet das TERRANOVA-Team daran, Terahertz-Funklösungen in Glasfasernetze mit hohen Datenraten einzubetten, neue Frequenzbänder zu erschliessen und so den Weg für eine belastbare Kommunikations-Infrastruktur zu schaffen, die bereit für die Anforderungen der Zukunft ist.

Die Einführung des heute gängigen Mobilfunkstandards 4G im Jahr 2010 ermöglichte erstmals Datenübertragungsraten auf dem Niveau von Festnetzinternetzugängen auf mobilen Endgeräten. Dadurch wurden viele Anwendungen, die Mobilnutzer heute gewohnt sind, erst möglich. Beispiele sind Videotelefonie, Übertragung von Video-on-Demand auf das Handy oder auch die Vernetzung von Maschinen und Autos. Doch der Datenhunger wächst und wächst, sodass auch die vergleichsweise hohe LTE-Datenrate von bis zu einem Gigabit pro Sekunde immer öfter einen limitierenden Faktor für neue Anwendungen darstellt. Dabei steigt der Bedarf nach schnelleren Verbindungen nicht nur bei Handynutzern sondern auch in der Industrie, denn die wachsende Zahl der vernetzen Geräte und Maschinen generiert immer grössere Datenströme, die möglichst schnell und störungsfrei übertragen werden müssen.

Entsprechend steht die nächste Mobilfunkgeneration, 5G, schon in den Startlöchern. Der künftige Mobilfunkstandard 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. Aus diesem Grund arbeiten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF gemeinsam mit Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI und weiteren Partnern aus Industrie und Forschung im Rahmen des EU-geförderten Projekts TERRANOVA, bereits heute am übernächsten Mobilfunkstandard. 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.

Eine Möglichkeit, hohe Datenraten zur Verfügung zu stellen, liegt im Ausbau des Glasfasernetzes. Doch das ist einerseits mit hohen Kosten verbunden und löst andererseits nicht die Herausforderung, mobile Geräte mit hohen Datenraten zu versorgen. Die Lösung: Die Forscher verbinden die Glasfasertechnologie mit der Richtfunkübertragung. Allerdings 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. 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 hingegen steht genügend Bandbreite zum Erreichen von Datenraten bis zu 400 Gigabit pro Sekunde zur Verfügung«, erläutert Projektleiter Dr. Thomas Merkle vom Fraunhofer IAF. »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.«