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Grundlagenforschung für 6G

02. Juni 2023 - Das Institut für Elektronik, Mikroelektronik und Nanotechnologie (IEMN, Lille, Frankreich) und Rohde & Schwarz erweitern ihre Zusammenarbeit bei der Erforschung der THz-Kommunikation auf Basis photonischer Technologien. In einer jüngsten Demonstration hat das IEMN einen Meilenstein erreicht. Den Forschenden gelang der Aufbau einer bidirektionalen 300-GHz-Verbindung über einer Strecke von 645 m im Freien, was für zukünftige 6G-Backhauling-Szenarien relevant ist.

Eine entscheidende Komponente im Leistungstest war der Mikrowellen-Signalgenerator R&S SMA100B von Rohde & Schwarz, der ein Signal mit extrem niedrigen Phasenrauschen bereitstellt. Das Gerät beschleunigt so die Erforschung und Entwicklung der THz-Kommunikation und ebnet den Weg zur industriellen Nutzung.

Der Weg in die 6G-Ära ist nun frei und Kommunikationssysteme im Sub-THz-Bereich bis 300 GHz werden Realität. Dies erfordert neue Messgeräte, Testumgebungen und Metrologie, um die Lücke zwischen dem Millimeterwellenbereich und den optischen Frequenzbändern zu schließen.

Seit mehreren Jahren haben Rohde & Schwarz und das Team des IEMN unter der Leitung von Prof. Guillaume Ducournau im Bereich der Hochfrequenzmessungen geforscht. Die Integration von Rohde & Schwarz Messtechniklösungen mit photonischen Technologien beschleunigt den Fortschritt auf dem sich gerade entwickelnden Feld der 6G-Technologie.

Die Untersuchung neuer Spektrumressourcen leistet einen Beitrag zur Zukunft drahtloser Kommunikationssysteme. In diesem Kontext wird eine Erhöhung der Backhaul-Frequenzen erwartet, sobald der E-Band-Kommunikationsmarkt gesättigt ist. D-Band-Systeme (110 GHz bis 170 GHz) kommen voraussichtlich nach 2025 auf den Markt, während das H-Band oder die Sub-THz-Bänder bis 300 GHz nach 2030 erwartet werden. Die Entwicklung neuer Architekturen und Testsysteme zur Charakterisierung der mmW/THz-Performance auf Komponenten- und Systemebene hat höchste Priorität, um die Zukunftstrends des Wireless-Marktes zu unterstützen.

Das Erschließen des obersten Endes des Millimeterwellenspektrums bis zu 300 GHz und darüber hinaus ist mit großen Herausforderungen auf Komponenten- und Systemebene verbunden. In den vergangenen Jahren gab es große Fortschritte bei den Vektornetzwerkanalysatoren sowie Frontends und Subsystemen für Signal- und Spektrumanalysatoren. Für die Charakterisierung moderner THz-Komponenten und Systeme verwendet das IEMN den R&S ZNA Vektornetzwerkanalysator mit externen Frequenzkonvertern, die, wie im Fall des R&S ZC1100, das ganze Frequenzspektrum vom Millimeterwellenbereich bis 1,1 THz abdecken.

In der jüngsten Forschungskooperation zu elektronischen und photonischen Technologien basiert die vorgeschlagene Architektur auf einem superheterodynen Ansatz, der die Kanalbündelung vom V- (40 GHz bis 75 GHz) und E-Band (60 GHz bis 90 GHz) bis zum THz-Spektrum ermöglicht. Den THz-Träger erhält man durch Frequenzmultiplikation auf einem photonikbasierten Lokaloszillator, der mit einer Frequenzreferenz synchronisiert ist. Für die Erzeugung der ultraniedrigen Phasenrausch-Signalreferenz hat Rohde & Schwarz dem Testteam in Lille den R&S SMA100B zur Verfügung gestellt. Dieser stellt dem THz-Auf- und Abwärtskonverter ein unterbrechungsfreies Lokaloszillator-Feedsignal bereit, was das Auftreten von Störtönen in den THz-Spektren begrenzt.

Das System nutzt erstmals THz-Frequenz-Duplexing, so dass gleichzeitiges Senden und Empfangen an beiden Enden mit einem einzigen Antennenpaar möglich ist. Nach Validierung der Systemperformance im Labor fanden in Deutschland im Rahmen des EU-Japan-Projekts ThoR Tests mit zwei Antennenpaaren über 150 m statt. Anschließend wurden in Frankreich Freiraumtests über eine Entfernung von 645 m mit einer Systemübertragungsgeschwindigkeit von 12,6 Gbps durchgeführt. Dies ist die größte Entfernung, die bisher mit einem THz-Duplex-System im 300-GHz-Band überwunden wurde.

Prof. Guillaume Ducournau, Leiter der Forschungseinheit für Terahertz-Drahtloskommunikation am IEMN, sagt: „Wir nutzen unsere Kompetenz im Bereich der THz-Technologien, zum Beispiel bei den optoelektronischen THz-Photomischern, den elektronischen Hochgeschwindigkeitsempfängern und den THz-Messgeräten, um die Erforschung neuer 6G-Bereiche voranzutreiben. Wir entwickeln Prototypen, verifizieren Technologien und schlagen Kooperationspartnern moderne Messdienstleistungen vor. Wir freuen uns, die Zusammenarbeit mit Rohde & Schwarz noch weiter auszubauen, um Herausforderungen meistern zu können und eine solide Basis für die industrielle Nutzung zu schaffen.”

Taro Eichler, Technology Manager bei Rohde & Schwarz, betont: „Wir sind hocherfreut, gemeinsam mit dem IEMN an der Integration elektronischer und photonischer Technologien für die THz-Kommunikation zu arbeiten. Eine Ausweitung dieses Ansatzes auf andere Anwendungen ist ebenfalls denkbar. Die erhaltenen Ergebnisse werden außerdem in der Zukunft als wertvolle Datengrundlage für Spezifikationsgruppen der Branche dienen, etwa für die gerade erst installierte ISG THz des ETSI und für andere Standardisierungsgremien."

Rohde & Schwarz unterstützt aktiv die 6G-Forschung in Europa, Asien und den USA. Das Unternehmen engagiert sich in Forschungsprojekten und Industrie-Allianzen und arbeitet mit führenden Forschungsinstituten und Universitäten zusammen. Das messtechnische Know-how und die Lösungen von Rohde & Schwarz bereiten den Weg für die nächste Mobilfunkgeneration, mit deren kommerzieller Einführung um das Jahr 2030 herum zu rechnen ist.

www.rohde-schwarz.com/