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Das getunte 5G

14. August 2020, 08:30 Uhr   |  Meinrad Happacher

Das getunte 5G
© Fraunhofer IAF

Dr. Thomas Merkle ist stellvertretender Geschäftsfeldleiter der Hochfrequenzelektronik am Fraunhofer IAF.

Das 5G-Netz ist im Aufbau und doch arbeitet die Forschung bereits an seiner ­Optimierung. Das EU-Projekt Ariadne hat zum Ziel, eine neuartige drahtlose Systemarchitektur zu entwickeln, um extreme Datenraten im Bereich von 100 Gbit/s nahezu latenzfrei zuverlässig zu übertragen.

Herr Dr. Merkle, was macht das 5G-Netz – das ja in der Breite noch nicht mal verfügbar ist – jetzt schon wieder verbesserungswürdig?

Dr. Thomas Merkle: Die Entwicklung der mobilen Netzinfrastruktur ist ein technisch evolutionärer Prozess. Das 5G-Netz ist auch nicht schlecht oder unzulänglich, nur die Entwicklung geht einfach parallel immer weiter. Die großen Zukunftsvisionen etwa im Bereich Augmented Reality oder dem autonomen Fahren sehen langfristig eine weitere Skalierung der Netzkapazitäten vor. Diese Skalierung lässt sich nur weiter vorantreiben, wenn auch höhere Frequenzbänder zur Anbindung der Basisstationen ausgenutzt werden. Nicht überall ist die Glasfaser dafür vorhanden oder einsetzbar. Breitbandige Richtfunkverbindungen bei hohen Frequenzen über 100 GHz erweitern den Spielraum der Netzplaner und erlauben den bedarfsgerechten Ausbau zu steuern und die Kosten für die Teilnehmer zu senken. Flexible Netzverbindungen in Kombination mit autonomen und selbstlernenden Netzsteuerelementen sind hier vielversprechende Schlüsseltechnologien. 

Welches Ziel streben Sie deshalb mit dem Projekt ‚Artificial 
Intelligence Aided D-band Network for 5G Long Term Evolution‘ – kurz ­Ariadne – an?

Wir versuchen das Funknetz nicht auf einer lokalen Ebene – das heißt durch punktuelle Anpassungen der Netzinfrastruktur – zu verbessern, sondern erforschen eine längerfristige Lösung für ein zuverlässiges und energieeffizientes Mobilfunknetz mit hohen Übertragungskapazitäten. Dazu wollen wir auch erstmals Frequenzen im D-Band nutzen, also bei 130 bis 174,8 GHz. Diese werden bislang nicht genutzt, eignen sich jedoch hervorragend für schnellen Datentransfer. Bis zum Projekt-Ende 2022 wollen wir eine stabile Funkverbindung mit extrem hohen Datenraten im 100-Gbit/s-Bereich bei nahezu Null Latenz im D-Band realisieren und demonstrieren. Die Latenzzeit entsteht hauptsächlich in der Netzsteuerebene und durch die benötigte Signalverarbeitung, denn elektromagnetische Wellen selbst breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus – da kann man nichts verbessern. Vorrausschauende intelligente Konzepte können hier zu einer weiteren Verbesserung bei 5G führen.

Welches sind die wichtigsten Aufgabengebiete des Projektes?

Das Projekt Ariadne fußt auf drei großen komplementären Forschungsbereichen. Zum einen gilt es neue Funktechnologien für die Kommunikation im D-Band zu entwickeln, die in der Lage sind, den Frequenzbereich optimal zu nutzen. Zum anderen werden Meta-Oberflächen – das sind reflektierende Oberflächen für Funkwellen, deren Reflexions-verhalten elektrisch modifiziert werden kann – für die hohen Frequenzen erforscht, um mit ihnen fehlende Sichtverbindungen in urbanen Gebieten zu überwinden. Der dritte Aufgabenbereich befasst sich mit der Netzsteuerung. Diese soll durch Methoden des maschinellen Lernens und künstlicher Intelligenz optimiert werden. Dadurch soll es der Netzsteuerung in Zukunft möglich sein, sich an Veränderungen der Funkbedingungen anzupassen und Störungen zu vermeiden, noch bevor sie überhaupt entstehen.

Wie sehen die Projektparameter aus?

In dem Projekt vereinen elf europäische Partner ihre Expertisen. Das Projekt ist Anfang des Jahres gestartet und auf drei Jahre angelegt. Es wird im Rahmen des EU-Förderprogramms für Forschung und Innovation ‚Horizon 2020‘ mit insgesamt rund 6 Mio. Euro gefördert und ist Teil eines Portfolios von mehreren Projekten, die in diesem Rahmen gefördert werden. Insgesamt bilden diese Projekte ein Baukastensystem zukünftiger Technologien, die den evolutionären Prozess von 5G unterstützen sollen.

Bis wann wollen Sie welches finale Ziel erreicht haben?

Bereits nächstes Jahr wollen wir mit ersten Echtzeit-Datenübertragungs-versuchen im D-Band beginnen. Ziel des Projekts ist es ja nicht nur eine Übertragung zu schaffen, sondern die Demonstration der Rekonfigurierbarkeit der Verbindungen mit hoher spektraler Effizienz und geringem Energieverbrauch. Die Entwicklung und Anwendung von rekonfigurierbaren Oberflächen im D-Band und die intelligente Netzsteuerung soll im Jahr 2022 gezeigt werden. Die beteiligten Projektpartner konnten dabei schon zeigen, dass die Konzepte bei nied­rigen Frequenzen eine attraktive Lösung sind. Die spannende Forschungsfrage ist nun, wie sich diese Konzepte bei Frequenzen über 100 GHz anwenden lassen.     

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