Dr. Jochen Antes. »Multi-Gigabit-Richtfunksysteme im Millimeterwellenbereich«

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1 Dr. Jochen Antes»Multi-Gigabit-Richtfunksysteme im Millimeterwellenbereich«Der vorliegende Beitrag wurde beim Deutschen Studienpreis 2016 mit einem 2. Preis in der Sektion Natur- und Technikwissenschaften ausgezeichnet. Er beruht auf der 2015 an der Universität Stuttgart eingereichten Dissertation»Multi-Gigabit Millimeter Wave Communication Links«von Dr. Jochen Antes.

2 Multi-Gigabit-Richtfunksysteme im Millimeterwellenbereich Dr. Jochen Antes War die Internetnutzung zu Zeiten von Modemverbindungen und Dial-in-Verfahren eine Dienstleistung, die aufgrund hoher Kosten und eingeschränkter Übertragungsgeschwindigkeiten nur für einige wenige Zwecke und von einzelnen privaten Computern aus genutzt wurde, ist der Zugang zum Netz heute zu einer Normalität geworden, die aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken ist. Im privaten Bereich ist es das schnelle Auffinden einer Information über eine der vielen Wissensdatenbanken oder einen Nachrichtenkanal oder wiederum der Austausch mit dem Freundeskreis über die Sozialen Medien, was das Internet für den Einzelnen unverzichtbar macht. Dabei sollen die unterschiedlichen Dienste unabhängig vom Endgerät (d.h. Computer, Smartphone, Tablet) rund um die Uhr und überall nutzbar sein. Mit der weiten Verbreitung von Smartphones und der damit einhergehenden mobilen Nutzung des Internets in all seinen Bereichen zeigt sich besonders beim Mobilfunknetz die Notwendigkeit, die zugrunde liegenden Netzwerkstrukturen auszubauen. In Deutschland konnte im Jahr 2015 ein deutliches Wachstum des mobilen Datenaufkommens um 56 % verzeichnet 1 werden, wobei das gesamte über das mobile Netz übertragene Datenaufkommen im Monat bei 52,8 PB 2 lag (dies entspricht dem Dateninhalt von ca. 13 Millionen DVDs). Dabei wurde pro Smartphone und Monat im Schnitt ein Datenaufkommen von 635 MB generiert. Basierend auf der Entwicklung des Datenaufkommens in den vergangenen vier Jahren, wird im mobilen Bereich ein weiteres Wachstum von durchschnittlich 39 % pro Jahr bis zum Jahr 2020 vorausgesagt. 3 Um die Daten für die einzelnen Nutzer auf ihren mobilen Endgeräten zur Verfügung stellen zu können, ist es notwendig, die akkumulierten Datenströme von allen Nutzern über eine leistungsfähige Netzwerkinfrastruktur zu den Mobilfunkstationen zu leiten. Bereits für die derzeit anfallenden Datenmengen ist die Leistungsfähigkeit der bestehenden Netze kaum noch ausreichend und ein Ausbau unausweichlich. 4 1 Cisco Visual Networking Index, aktuellste Ausgabe erschienen im Februar Online verfügbar unter zuletzt aufgerufen am PB/Petabyte, entspricht Byte. 3 Cisco Visual Networking Index. Compound Annual Growth Rate. 4 Ericsson mobility report Online verfügbar unter zuletzt aufgerufen am

3 Wirtschaft und Industrie sind auf die globale Verfügbarkeit von Daten jeglicher Art und ihren schnellen Austausch angewiesen. Die Anbindung an eine leistungsfähige Netzwerkinfrastruktur ist dabei zu einem erheblichen Standortvorteil geworden. Auch politisches Leben und gesellschaftliche Teilhabe organisieren sich zunehmend über das Internet, so vor allem über die Sozialen Medien. Politische Partizipation setzt dann einen verlässlichen Zugang des einzelnen Bürgers zum Netzwerk voraus; im Umkehrschluss muss aber davon ausgegangen werden, dass eine zum Beispiel örtlich begründete Einschränkung des Zugangs zum Netz eine systematische Benachteiligung bedeutet. Bereits mit der im Jahr 2009 durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) veröffentlichten Breitbandstrategie der Bundesregierung wurde daher in Deutschland der umfassende Ausbau des Breitband-Internets angestrebt. Das aktuelle Ziel dieser Strategie ist es, bis 2018 eine flächendeckende Versorgung mit einer Übertragungsdatenrate von mindestens 50 Mbit/s zu gewährleisten. 5 Das inzwischen für den Ausbau zuständige Bundesministerium für Verkehr und Digitale Infrastruktur (BMVI) begründet die dringende Notwendigkeit dieses Ausbaus wie folgt:»die flächendeckende Versorgung unseres Landes mit leistungsfähigen Breitbandanschlüssen und der Aufbau von Hochleistungsnetzen sind wichtige Voraussetzungen für wirtschaftliches Wachstum, mehr Beschäftigung und steigenden Wohlstand.«6 Während diese angestrebten Verbindungsgeschwindigkeiten im urbanen Bereich vergleichsweise einfach durch Um- oder Aufrüstungen bestehender Infrastrukturen erzielt werden können, stehen die mit der Umsetzung beauftragten Stellen im ländlichen Raum vor großen Herausforderungen. Die hier zur Verfügung stehende Infrastruktur beruht auf den, größtenteils bereits sehr alten, Kupferleitungen des Telefonnetzes, die eine Übertragung der Daten in der notwendigen Geschwindigkeit nicht zulassen. 7 Im ländlichen Raum ist es also unabdingbar, eine neue Netzinfrastruktur zur Verfügung zu stellen, um die Ziele der Breitbandstrategie zu erreichen. Daher ist laut BMVI»die Frage [ ] längst nicht mehr[,] ob ausgebaut wird, sondern wie der Ausbau realisiert werden kann«, um auf Basis der individuellen Ausgangslage eine wirtschaftliche Lösung erzielen zu können. 8 5 Breitbandstrategie der Bundesregierung, erschienen 2009 beim BMWi. Online verfügbar unter zuletzt aufgerufen am Innovationsplattform zum Netzausbau des BMVI, online verfügbar unter zuletzt aufgerufen am Studie: Erfolgreiche bzw. Erfolg versprechende Investitionsprojekte in Hochleistungsnetze in suburbanen und ländlichen Gebieten, herausgegeben vom BMVI, Online verfügbar unter zuletzt aufgerufen am

4 Dabei werden auch hier die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Technologien betrachtet und gegeneinander aufgewogen. Als eine schnelle und kostengünstige Alternative sieht das BMVI den Einsatz von Mikrowellen- Richtfunk, bei dem der Signaltransport über elektromagnetische Wellen erfolgt, und gibt hierfür Übertragungsraten bis zu einem Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) an. 9 Dabei werden Datenpakete aus einem bestehenden Hochgeschwindigkeitsnetz ausgekoppelt, in den Mikrowellenbereich umgesetzt und an den Zielort, z.b. eine neu an dieses Hochgeschwindigkeitsnetz anzubindende Ortschaft, gefunkt. Von dort können die einzelnen Datenpakete an die jeweiligen Endnutzer weiterverteilt werden. Dieses Vorgehen stellt einen entscheidenden Kostenvorteil gegenüber der Glasfaserübertragung dar, bei der besonders bei der Installation durch notwendige Landerwerbs- und Grabungsarbeiten sehr hohe Kosten anfallen. Unwegsames Gelände und Täler lassen sich per Richtfunk problemlos überbrücken. Die schnelle und einfache Installation von Richtfunkstrecken sowie die bereits aus dem Bereich niedrigerer Datenraten bekannte Technik, wie Antennen und Versorgung, bieten einen deutlichen Vorteil. Projekt- und Investitionsrisiken sind dabei weitgehend bekannt. Allerdings bleibt die vorsichtige Betrachtung des BMVI hinter den Ansprüchen des Breitband-Ausbaus weit zurück: So würde, vereinfacht betrachtet, eine solche Richtfunkverbindung nur eine Anbindung von maximal 20 Haushalten mit der geforderten Übertragungsdatenrate von 50 Mbit/s ermöglichen. Im Vergleich zu Glasfaseranbindungen, die das bis zu Zehnfache an Übertragungsdatenraten bereitstellen, ist dies ein entscheidender Nachteil. Um Mikrowellen-Richtfunksysteme nachhaltig nutzen zu können, müssen diese also mindestens für Übertragungsraten im Bereich von 5 bis 10 Gbit/s ausgelegt werden. Der Einsatz von Mikrowellen- Richtfunksystemen bietet auch eine effiziente Alternative zur bisher vorangetriebenen Anbindung einzelner Mobilfunkmasten an das Glasfasernetz. Auch in diesem Bereich müssen allerdings Übertragungsdatenraten von etwa 10 Gbit/s erreicht werden. Bisher bekannte Lösungen für solche Richtfunksysteme können die benötigten Übertragungsdatenraten nicht zur Verfügung stellen. Selbst die leistungsfähigsten Systeme erzielen maximal Datenraten bis zu 1 Gbit/s, und dies nur unter idealen Bedingungen (klare Sicht, Trockenheit) und limitierten Distanzen bis zu 3 km Ebenda. 10 Studie: Second-Generation E-Band Solutions: Opportunities for Carrier-Class LTE Backhaul, Online verfügbar unter zuletzt aufgerufen am

5 Um die Vorteile der Richtfunktechnologie für den Breitband-Ausbau nutzen zu können, ist es daher notwendig, drahtlose Funkkommunikationssysteme mit Übertragungsdatenraten mindestens im Bereich von mehreren Gigabit (»Multi-Gigabit«) pro Sekunde mit ausreichender Zuverlässigkeit, v.a. auch bei widrigen Witterungsverhältnissen, zu entwickeln. Dazu werden neue Ansätze bei der Realisierung derartiger Systeme notwendig, die sowohl die Art der Systemrealisierung als auch die verwendeten Übertragungsfrequenzen neu bewerten. Unabhängig von der gewählten Übertragungsart ist ein wesentliches physikalisches Merkmal der Datenübertragung, dass die erreichte Datenrate mit der für die Übertragung zur Verfügung stehende Bandbreite steigt. Es lässt sich mit einiger Vereinfachung sagen, dass für Datenraten im Bereich von einigen Gigabit/s Bandbreiten von der Größenordnung GHz benötigt werden. Im Vergleich dazu arbeiten heutige Mobilfunksysteme vierter Generation bei max. 20 MHz Bandbreite, d.h. mit einem Faktor 50 darunter. 11 Die Datenübertragung per Funk unterliegt außer den physikalischen Randbedingungen allerdings auch regulatorischen Gesichtspunkten, da das elektromagnetische Spektrum eine äußerst knappe öffentliche Ressource darstellt, deren Zuteilung und Verwaltung eine nationale Hoheitsaufgabe darstellen. Im Bereich der etablierten Mikrowellentechnologien (d.h. Träger- oder Mittenfrequenzen bis etwa 30 GHz) ist die notwendige Bandbreite heute in der Tat nicht zuteilbar. Die erforderlichen hohen Bandbreiten werden allerdings erreicht, wenn Trägerfrequenzen im vergleichsweise wenig genutzten Millimeterwellenbereich gewählt werden, d.h. bei Frequenzen von GHz, was dem Zehn- bis Hundertfachen der heute für Richtfunkstrecken verwendeten Trägerfrequenzen entspricht. In der vorliegenden Dissertation wurden die notwendigen Aspekte für die Dimensionierung und Realisierung solcher leistungsfähigen Multi-Gigabit-Richtfunksysteme betrachtet. Die Arbeit umfasste dabei sowohl theoretische Betrachtungen als auch die Entwicklung eines Systemprototyps sowie den Hardware-Entwurf der notwendigen transistorbasierten Schaltungstechnik. Es wurde dabei ein Ansatz gewählt, der bekannte Lösungen aus der herkömmlichen Funktechnik bei niedrigen Frequenzen (z.b. Systemarchitektur, Antennentechnik) mit Herangehensweisen aus der aktuellen Forschung im Bereich optischer Kommunikation (z.b. Modulationstechniken) miteinander kombiniert. Mit der erfolgreichen 11 Ebenda. 4

6 Erprobung des Prototyps gelang erstmalig der Nachweis, dass Multi-Gigabit-Richtfunksysteme für die oben beschriebenen Anwendungsfälle eingesetzt werden können. Die wesentliche Herausforderung bei der Erschließung des bisher hauptsächlich zur Weltraumbeobachtung genutzten Millimeterwellenbereichs für eine allgemein verfügbare Datenübertragung liegt in der effizienten technischen Handhabung dieser sehr hochfrequenten Signale. Daten, die von einem Funksystem übertragen werden sollen, müssen dafür in ein angemessenes Format gebracht werden. Die dazu notwendigen Schaltungskomponenten (z.b. Signalmischer, Filter, Verstärker usw.) waren bisher bei diesen Frequenzen nicht verfügbar. Essenziell für die Entwicklung solcher Komponenten sind integrierte Transistorschaltungen (MMICs, Monolithic Millimeterwave Integrated Circuits), die im Sender der Richtfunkstrecke das zu übertragende breitbandige Datensignal auf die Trägerfrequenz im Millimeterwellenbereich umsetzen bzw. auf der Empfangsseite das Datensignal wieder zurückgewinnen. Diese Transistorschaltungen wurden mit Hilfe einer der schnellsten verfügbaren Transistortechnologien entworfen, der sogenannten»high-electron-mobility-transistoren«(hemts) 12. Die Elektronen in diesen Transistoren bewegen sich sehr viel schneller als in herkömmlichen Siliziumschaltungen und machen daher den Einsatz von Transistoren in extrem hohen Frequenzbereichen erst möglich. Eine besondere Herausforderung bei der Realisierung der hier benötigten sehr breitbandigen Transistorschaltungen lag, neben dem Schaltungsentwurf selbst, in der messtechnischen Charakterisierung, mit der die Eignung der Komponente für die Datenübertragung und ihr mögliches Optimierungspotenzial nachgewiesen werden musste. Da die hier betrachteten Frequenzbereiche der Millimeterwelle bereits sehr hohe Anforderungen an die Messtechnik stellen, mussten neue Herangehensweisen für den Nachweis der Leistungsfähigkeit der entstandenen Schaltungskomponenten entwickelt werden. Um den Nachweis zu erbringen, dass die verfolgte Systemlösung tatsächlich die benötigten hohen Datenraten erzielen kann, wurde der Prototyp des Richtfunk-Übertragungssystems sowohl im Labor als auch unter realen Bedingungen (Temperatur, Witterung, Störeinflüsse) untersucht. Dabei konnten die für die hier aufgezeigten Anwendungsfälle erforderlichen Datenraten um ein Vielfaches übertroffen 12 Leuther et al., 35 nm mhemt Technology for THz and ultra low noise applications. Erschienen in: International Conference on Indium Phosphide and Related Materials 2013, May

7 werden. Gleichzeitig stellten diese zum Zeitpunkt der Einreichung der Dissertation die weltweit höchsten mit einem Funksystem erzielten Datenraten dar. In einem besonderen Maße konnte die Verwendbarkeit der entwickelten Systeme für die dargestellten Anwendungszwecke bei einem Feldversuch nachgewiesen werden. In diesem wurden Sender und Empfängerstation der Übertragungssysteme auf zwei Rundfunkmasten in einer Distanz von 15 km installiert und über mehrere Tage betrieben. Dabei konnte die Qualität des Übertragungssignals bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen sowie Einflüsse durch andere auf den Rundfunkmasten befindliche Funksysteme (Rundfunk, herkömmlicher Richtfunk, Amateurfunk- und Mobilfunkbasisstationen) untersucht werden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Leitungsfähigkeit des Systems ausreicht, um die geforderte Datenrate von 10 Gbit/s selbst bei widrigsten Witterungsbedingungen (Regen, Nebel) zu erzielen. Bei klarer Sicht konnte über die gleiche Strecke eine Übertragung mit einer Datenrate von 15 Gbit/s erreicht werden. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit realisierten Systeme erlauben die Übertragung von Datenraten zwischen 15 und 64 Gbit/s unter realen Einsatzbedingungen. Dies ermöglicht die Anbindung von 300 bis 1280 Zugängen zum Breitband-Internet mit einer Datenrate von je 50 Mbit/s über eine einzige Richtfunkverbindung an eine bestehende Netzinfrastruktur. Mit den dabei erzielten Übertragungsdistanzen zwischen 1 km und 15 km können sowohl Anbindungen in dichter besiedelten Gebieten mit entsprechend höherer Nutzer- oder Anschlussdichte als auch die Anbindung von abgelegenen Ortschaften mit geringerer Nutzerdichte erreicht werden. Der dabei erzielte Entwicklungsstand der Prototypen könnte bereits jetzt in realen Übertragungssystemen zum Einsatz gebracht werden, in dem bereits aus der optischen Kommunikationstechnik verfügbare Komponenten im Bereich der Datenaufbereitung und -auswertung (z.b. Digital-Analog-Wandler, Analog-Digital-Wandler, digitale und parallele Signalverarbeitung) verwendet werden. Diese können mit geringen Anpassungen direkt an die Datenein- bzw. -ausgänge der Prototypen angeschlossen werden. Für eine weitere Kommerzialisierung stellen Verbesserungen und Kosteneinsparungen beim Aufbau der Prototypen sowie eine Optimierung der Aufbau- und Ausrichtvorgänge der Richtfunkstrecke weitere notwendige Schritte dar, um die hier entwickelten Hochleistungssysteme in der Anwendung so einfach wie möglich zu gestalten. 6