Weltrekord in der terrestrischen Funkübertragung

Multi-Gigabit-Funk über größte Distanzen

| Autor / Redakteur: Bernhard Lück / Andreas Donner

Der E-Band-Sender mit Parabolantenne arbeitet mit besonders leistungsfähigen integrierten Schaltungen.
Der E-Band-Sender mit Parabolantenne arbeitet mit besonders leistungsfähigen integrierten Schaltungen. (Bild: Jörg Eisenbeis / KIT)

Ein Forschungsverbund vermeldet einen Weltrekord bei der Datenübertragung per Funk: Unter Beteiligung des KIT und des Fraunhofer IAF sei mit einer Datenrate von 6 GBit/s über eine Entfernung von 37 Kilometern der Stand der Technik um den Faktor zehn übertroffen worden.

Das Verbundprojekt ACCESS (Advanced Eband Satellite Link Studies) wurde durchgeführt von einer Forschungsgruppe um Prof. Ingmar Kallfass vom Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme (ILH) der Universität Stuttgart, dem Institut für Hochfrequenztechnik und Elektrotechnik (IHE) beim Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der Radiometer Physics GmbH und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF.

Dem Team sei die Rekorddatenübertragung auf einer Strecke zwischen Köln und dem 36,7 Kilometer entfernten Wachtberg gelungen. Die Stationen standen auf dem 45-stöckigen Uni-Center in Köln und dem Gelände des Weltraumbeobachtungsradar TIRA am Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) in Wachtberg.

Rekord durch Einsatz neuester Technologie

Die Datenrate von 6 GBit/s habe die Gruppe durch leistungsfähige Sender und Empfänger bei einer Radiofrequenz von 71 bis 76 GHz im für den terrestrischen und Satellitenfunk freigegebenen „E-Band“ erzielt. Nur in diesem Frequenzbereich mit Millimeterwellen stünden die erforderlichen hohen Nutzbandbreiten zur Verfügung. Nur hier würden sich die enormen Datenraten verwirklichen lassen.

Eine weitere Schwierigkeit sei die Abschwächung der Signale über größere Entfernungen. Entsprechend stark müsse gesendet werden, entsprechend leistungsfähig müsse am Ende der Verstärker sein. Schlüssel zu der einzigartigen Kombination aus Gigabit-Datenrate und Höchstdistanz bildeten die leistungsfähigen Sender und Empfänger in Form voll monolithisch integrierter Millimeterwellen-Schaltungen (MMICs).

Den Schaltungen liegen zwei innovative Transistortechnologien zugrunde, die der Projektpartner Fraunhofer IAF entwickelt und hergestellt hat. Im Sender werden die breitbandigen Signale mithilfe von Leistungsverstärkern auf Basis des neuartigen Verbindungshalbleiters Galliumnitrid auf eine vergleichsweise hohe Sendeleistung von bis zu 1 W gebracht. Eine hoch gerichtete Parabolantenne strahlt die Signale ab. Im Empfänger sind rauscharme Empfangsverstärker auf Basis von Höchstgeschwindigkeitstransistoren, unter Verwendung von Indium-Gallium-Arsenid-Halbleiterschichten mit sehr hoher Elektronenbeweglichkeit, eingebaut. Sie sorgen für die Detektion der über die Entfernung äußerst stark abgeschwächten Signale.

Vielzahl an Anwendungsgebieten

Die Übertragung hoher Datenmengen per Funk über große Distanzen diene einer Vielzahl wichtiger Anwendungsgebiete: Die nächste Generation der Satellitenkommunikation erfordere einen immer größeren Datenfluss von Erdbeobachtungssatelliten zur Erde. Die Versorgung des ländlichen Raumes und entlegener Gebiete mit schnellem Internet sei bei einer Datenrate, wie sie in dem Versuch erreicht wurde, möglich. 250 Internetanschlüsse könnten mit 24 MBit/s ADSL versorgt werden. Terrestrische Funkübertragung im E-Band eigne sich als kosteneffizienter Ersatz für das Verlegen von Glasfaser oder als Ad-hoc-Netz im Krisen- und Katastrophenfall, bis hin zur Verbindung von Basisstationen im Backhaul der Mobilkommunikation.

Bedarf steigt ungebremst

Dem ungebremst ansteigenden Bedarf an immer höheren Datenraten in fasergebundenen und drahtlosen Kommunikationsnetzen könne nur mit technologischen Innovationen bei der Netzinfrastruktur begegnet werden. Moderne Entwicklungen wie das Internet der Dinge und Industrie 4.0 stünden darüber hinaus erst an ihrem Anfang und verlangten nach bisher nie dagewesenen aggregierten Datenmengen. Deren Verarbeitung und Übertragung in cloudbasierten Diensten bringe die Kommunikationsinfrastruktur bereits heute an ihre Grenzen. Auch in der Satellitenkommunikation würden die Fortschritte in der Erdbeobachtung und Weltraumforschung sowie Pläne eines weltumspannenden Satellitennetzes zu bisher ungelösten Herausforderungen in der Kommunikationsinfrastruktur führen.

Das Projekt im Überblick

ACCESS wurde zum 30. April beendet und findet seine Fortsetzung im Nachfolgeprojekt ELIPSE (E-Band Link Platform and Test for Satellite Communication). Ziel war die nächste Generation von Kommunikationssystemen für die schnelle Anbindung von Satelliten. Eine weitere Anwendung liegt aber auch im terrestrischen Richtfunk. Neben der Universität Stuttgart, dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist der Industriepartner Radiometer Physics GmbH (A Rohde & Schwarz Company) beteiligt. Das Projekt wurde gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Unterstützung leisteten das Fraunhofer FHR, das Uni-Center Köln und der Südwestrundfunk, die den Zugang zu ihren Gebäuden gewährten.

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