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Hintergrund: Herausforderungen bei der Umstellung auf 6G und Sub-Terahertz-Technologie

Während sich die Industrie wie immer in der Welt der globalen Kommunikation und IT bemüht, neueste Technologien einzuführen, richten Entwickler ihren Blick bereits auf die nächste "Welle", auf das, was in fünf bis zehn Jahren gefragt sein wird. Funknetzbetreiber und ihre Nutzer wissen seit jeher um die begrenzte Bandbreite für die Kanalkapazität (Hz) und das zunehmend überfüllte Funkspektrum. Noch vor kurzem hielt man 3G mit 5 MHz Bandbreite für ausreichend, doch 4G (20 MHz) trat bald an seine Stelle. Bekanntlich wurde 4G durch 5G mit Bandbreiten von bis zu 8 x 100 MHz abgelöst, und viele sind noch dabei, auf 5G umzusteigen.

Auch wenn die Industrie (und die Öffentlichkeit) an dieser Umstellung arbeiten, ist bereits klar, dass der Frequenzbereich ernsthaft limitiert ist. Man sollte also noch weiter gehen und 6G ins Auge fassen.

Übrigens ist nicht nur Bandbreite das Problem, auch die Netzabdeckung ist ein entscheidender Faktor in der drahtlosen Netzwerktechnologie. Netze im Sub-1-GHz-Bereich bieten eine ordentliche Abdeckung, 5G mit Satellitenkommunikation (nicht-terrestrische Netze) bietet jedoch eine viel bessere Abdeckung, vor allem in Gebieten, die traditionell schwer zu erreichen sind. Trotzdem ist klar, dass die Entwicklung hin zu 6G nicht von Netzabdeckungs-Anforderungen getrieben wird, sondern von Bandbreitenproblemen.

Freies Spektrum

Kurz gesagt: Will man 100 MHz freies Spektrum nutzen, so ist dies im 1 GHz-Band sehr anspruchsvoll (10% des verfügbaren Spektrums), während es im 100 GHz-Band viel einfacher ist und nur 0,1% des verfügbaren Spektrums belegt. Die Lösung erscheint einfach: Mit höheren Betriebsfrequenzen wird es immer einfacher, neue Bandbreiten zu finden. Leider stimmt das nicht. Das Problem ist, dass die grundlegende Physik der Funkwellenausbreitung beim Übergang zu höheren Frequenzen gegen uns zu arbeiten beginnt.

Das ist nicht neu - seit 1948 ist das Problem bekannt, als Claude Shannon eine Arbeit über die Grundsätze der Informationstheorie und der Fehlercodierung veröffentlichte. In seiner Arbeit untersuchte er die maximale Datenkapazität über ein Kommunikationsmedium bei Vorhandensein von Rauschen. Dabei stellte er fest, dass eine 10-fache Erhöhung der Kanalbandbreite die Kanalkapazität im gleichen Verhältnis erhöht, eine 10-fache Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) jedoch nur zu einer Verdoppelung der Kapazität führen würde. Das bedeutet jedoch nicht, dass man das SNR als Faktor vernachlässigen kann, denn durch die Optimierung des SNR lässt sich die verfügbare Kanalkapazität für eine bestimmte Bandbreite maximieren.

In letzter Zeit wurde viel darüber geforscht, wie sich das Problem der Nutzung immer höherer Frequenzen umgehen lässt, insbesondere was zu tun ist, wenn man erfolgreich über 5G hinausgehen will. Bei der jetzt vorgeschlagenen Lösung geht es um den Einsatz der „Sub-Terahertz-Technologie“.

Will man die Vorteile von 6G nutzen, sind die Faktoren zu minimieren, die die Leistungsdichte (Pfadverluste) der elektromagnetischen Wellen verringern können. Physikalisch bedingt nimmt der Pfadverlust der Strahlung einer isotropen Antenne mit steigender Betriebsfrequenz proportional zu, so dass eine 10-fache Frequenzerhöhung zu einem 100-fachen Anstieg der Verluste führt. Für den Aufbau einer zuverlässigen Funkverbindung lässt sich dieses Problem meist durch eine große Sendeantenne (Tx) mit kontrollierter Ausrichtung ihrer Strahlen auf die Strahlenkeule einer Empfängerantenne (Rx) lösen. Beim Einsatz höherer Frequenzen kommt es zu atmosphärischen Dämpfungsverlusten; diese entstehen durch kleine Partikel wie Regentropfen und Staub und sogar durch molekulare Strukturen, wie sie in H2O und CO2 vorkommen. Auf dem Weg von 10 GHz zu 1 THz nimmt die Dämpfung zu, aber es gibt besonders gute Ausbreitungswerte bei 35 GHz, 94 GHz, 140 GHz, 220 GHz und 360 GHz. Im ersten dieser Bänder finden derzeit 5G-Aktivitäten statt, während man die folgenden drei eher für die satellitengestützte Wetterüberwachung oder für militärische und bildgebende Radare nutzt. Das letzte Band mit 360 GHz kommt für die Einführung von 6G in Frage.

Virtuelle Bandbreite

Der Einsatz „virtueller“ Kanäle zwischen Sender und Empfänger ist eine weitere Option, die die Forscher in Betracht ziehen. Anstatt sich auf die physikalischen Beschränkungen der Kanalbandbreite zu beschränken, kann man theoretisch mithilfe der MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output) virtuelle Kanäle schaffen. MIMO kommt bereits bei 3G, 4G und 5G zum Einsatz und nutzt mehrere Antennen sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite, um die Pfadunterschiede zwischen Sende- und Empfangsantennen zur Erzeugung separater Kanäle zu nutzen. Darüber hinaus kommen bei „Massive MIMO“ viel mehr Tx-Antennen als Rx-Antennen zum Einsatz; so lassen sich MIMO-verstärkte Verbindungen zu mehreren Geräten gleichzeitig herstellen, was die Benutzerdaten-Kapazität einer Zelle erheblich erhöht.

Allerdings treten hier beim Betrieb in THz-Bändern Probleme auf, da die Rechenkomplexität extrem hoch werden kann, was die von MIMO gebotenen Leistungsgewinne beeinträchtigt. Bei 6G haben sich die Forscher mit der Entwicklung neuer Algorithmen befasst, die künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) nutzen; deren Rechenleistung kann ein höheres Maß an Kapazität erzeugen, was wiederum einen höheren MIMO-Gewinn ermöglicht und die Nutzung von MIMO bei Terahertz-Frequenzen erlaubt.

Auch der Einsatz von Metamaterialien - künstliche elektromagnetische Medien im Sub-Wellenlängenbereich - steht für künftige 6G-Netze auf dem Prüfstand. Sie können dazu beitragen, die Reflexion von Signalen zu steuern und so einen „konstruierten“ Kanalweg zu schaffen. Diese Kanäle lassen sich dann so einstellen, dass sie eine optimale Reflexion des Signals für einen direkten Weg zwischen Sende- und Empfangsstation gewährleisten. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass ein Ansatz mit begrenzter Bandbreite einen sehr hohen SNR, leistungsfähige Modulationsverfahren und 4x4 MIMO erfordert, während die breitere THz-Bandbreite viel höhere Datenraten mit nur niedrigem SNR und ohne MIMO bieten kann.

Beamforming und -Management

Beim Umstieg auf Sub-THz-Technologie mit massiven Antennen-Arrays sind Beamforming und ‑Management entscheidend. Von mehreren Sendern erzeugte Hochleistungs-Richtstrahlen können Pfadverluste ausgleichen, indem sie mehr Leistung erzeugen als ein einzelner Sender; diese kombinierte Leistung muss dann aber in einen starken, schmalen Strahl mit hoher Verstärkung umgewandelt werden, der den Empfänger erreichen kann.

Optimales Beamforming kann einen hohen Dynamikbereich und eine große Flexibilität bei vertretbaren Kosten und einem angemessenen Energieverbrauch gewährleisten, allerdings muss das Signal bei Kommunikationsverbindungen mit höheren Frequenzen vor Streuung und Beugung geschützt werden. Effektives Beam-Management gewährleistet die Ausrichtung und Aufrechterhaltung dieser schmalen Strahlungskeulen, während sich die Nutzer im Netzwerk umher bewegen. Aktuell verwendet das 5G-Strahlmanagement ein System aus Referenzsignalen und Messungen der Nutzergeräte (UE), was in Bezug auf die Kanalkapazität zu erheblichem Mehraufwand führen kann. Auf dem Weg zu 6G sind weitere Forschungsarbeiten nötig, um fortgeschrittenere Beam-Management-Technologien zu entwickeln.

Bei der drahtlosen Kommunikation in Sub-Terahertz-Bändern mit höherer Frequenz besteht die Herausforderung darin, genaue Messungen zu gewährleisten; das bedeutet, dass die Hochfrequenz (HF)-Leistung der Testgeräte extrem hoch sein muss. Im Rahmen der Entwicklung neuer Halbleiterverbindungen und -Prozesse ist eine Charakterisierung der Halbleiterwafer erforderlich; nur so lässt sich sicherstellen, dass sich das Verhalten der Bauelemente genau in Simulationen und Designtools einspeisen lässt. Die Zuverlässigkeit dieser Messungen ist unerlässlich für ein gutes Design und die Modellierung des Bauelementverhaltens bei der Entwicklung von Bauelementen im Sub-Terahertz Band. Vektor-Netzwerkanalysatoren (VNAs) der neuesten Generation bieten ein Höchstmaß an Messsicherheit: In einem einzigen Durchlauf können sie den Bereich von 70 kHz bis 220 GHz charakterisieren. Zurzeit prüft man neue Breitband-VNA-Architekturen sowie eine neue 300 GHz-Spektrumanalysatortechnologie, um in diesen höheren Frequenzbändern und Testumgebungen mit größerer Bandbreite das beste Preis-Leistungs-Verhältnis zu sichern.

Kommunikationsnetze der nächsten Generation

Die neuen, die durch einen Wechsel von 5G zu 6G möglichen Einsatzszenarien werden aktuell definiert, nicht nur mit Blick auf die wachsende Zahl von Endnutzern der Mobilfunktechnologie in einer sich wandelnden Welt. Anwender erwarten drahtlose Konnektivität im Metaversum, dem Internet der Dinge (IoT) und dem industriellen Internet der Dinge (IIoT) sowie bei der zunehmenden Einführung modernster Wireless-Technologie im Automobilsektor.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass bestehende Technologien und andere physische Beschränkungen den Kommunikationsnetzen der nächsten Generation im Wege stehen. Der einzige Ausweg besteht in einer Beschleunigung der Forschungsprogramme zur Untersuchung und Bewertung der Machbarkeit höherer Frequenzbänder - insbesondere im Bereich von 100 GHz bis 400 GHz.

Der wichtigste Bereich von allen ist die „Terahertz-Lücke“ zwischen 100 GHz und 10 THz mit dem Übergang zwischen optischen/photonischen und HF/elektronischen Technologien.

Neben den bereits erwähnten Bereichen sollte man auch neue Zugangsverfahren wie innovative Techniken jenseits des heutigen orthogonalen Frequenzmultiplex (OFDMA) genauer untersuchen. Weitere Arbeiten sind notwendig zu Fehlercodierungsverfahren zur Verbesserung der Effizienz und Überwindung von SNR-Beschränkungen sowie zu Bauelementen und Halbleitertechnologien, um ein geringeres Schrotrauschen und eine hohe Eckkreisfrequenz (fc) sowie Oszillatoren mit geringerem Phasenrauschen zu erzielen. Andere Fragen betreffen Halbleiter- und Gehäusetechnologie, um verlustärmere Sendemodule, eine höhere Leistungseffizienz und eine hohe Ausgangsleistung in den höheren Frequenzbändern zu erreichen. Und schließlich bedarf es der Entwicklung von Technologien und Gehäusen für integrierte Antennensysteme, die sich für den Einsatz an Zellstandorten und in Endgeräten eignen.

Überall auf der Welt arbeiten Forschungsteams und Organisationen an der Analyse all dieser Optionen und Herausforderungen für den Übergang von der 5G- zur 6G-Technologie. Die Ergebnisse dieser Forschung fließen in die Normungsprozesse von Normungsorganisationen wie 3GPP sowie in die Auswahl der relevanten Technologien und Wellenformen ein.

Die Entwicklung modernster Lösungen ist natürlich nur ein Teil der künftigen Aufgaben. Diese Lösungen müssen über die Theorie hinausgehen und praktische sowie erschwingliche Mittel für die Einführung von 6G bieten. Sie sollten wirtschaftlich tragfähig und einfach zu implementieren sein, damit Endanwendern und Industrie gleichermaßen die notwendigen Werkzeuge zur Verfügung stehen, um mit der Kommunikationstechnologie der nächsten Generation umgehen und sie nutzen zu können.

Autor: Jonathan Borrill, Anritsu Head of Global Market Technology

www.anritsu.com/



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