Auf dem Weg zu 6G Beyond-5G-Transceiver ermöglicht ultraschnelle Datenübertragung

Forscher der University of California in Irvine haben einen Transceiver entwickelt, der im 100 GHz-Spektrum funkt und bei geringem Energieverbrauch eine ultraschnelle Datenübertragung erlaubt. Möglich macht das ein neuartiges Chipdesign.

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Der an der University of California in Irvine entwickelte Transceiver "liftet" die Mobil-Funkfrequenzen in die Region von 100 GHz und vervierfacht damit die Geschwindigkeit des neuen 5G-Standard, der momentan weltweit ausgerollt wird.

Möglich macht das ein 4,4 mm großer Siliziumchip, der von den Entwicklern des Nanoscale Communication Integrated Circuits Labs der UCI als "End-to-End-Sender-Empfänger" bezeichnet wird. Aufgrund seiner speziellen digital-analogen Architektur ist der Chip in der Lage, digitale Signale deutlich schneller und energieeffizienter zu verarbeiten als herkömmliche Lösungen.

Mehr Bandbreite für alle Nutzer

"Wir nennen unseren Chip beyond 5G, weil die kombinierte Geschwindigkeit und Datenrate, die wir erreichen können, zwei Größenordnungen höher liegt als die Fähigkeit des neuen Mobilfunkstandards", erläutert Payam Heydari, Direktor der NCIC Labs und Professor für Elektrotechnik und Informatik an der University of California in Irvine. "Darüber hinaus bedeutet der Betrieb bei einer höheren Frequenz, dass alle Teilnehmer eine größere Bandbreite nutzen können, als die, die von den Carriern im Rahmen des 5G-Standards zur Verfügung gestellt wird."

Laut Heydari beschäftige sich die akademische Forschung schon länger mit der Frage, ob drahtlose Systeme in der Lage sind, die Performance und Geschwindigkeit von Glasfasernetzwerken zu erreichen. "Eine solche Möglichkeit würde die Telekommunikationsindustrie komplett verändern, da eine drahtlose Infrastruktur viele Vorteile gegenüber verkabelten Systemen mit sich bringt", so der UCI-Wissenschaftler.

Die Antwort seiner Gruppe auf solche Überlegungen sei der neue Transceiver, der einen Übergang vom 5G-Funkstandard (dieser ist für den Betrieb im Frequenzbereich 28 bis 38 GHz vorgesehen) zum 6G-Standard darstelle. 6G wird aller Voraussicht nach Frequenzen von von 100 GHz und darüber nutzen.

End-to-End-Fähigkeiten im 100-GHz-Spektrum

"Die Federal Communications Commission hat kürzlich neue Frequenzbänder über 100 Gigahertz geöffnet", weiß Hossein Mohammadnezhad, der an dem Projekt mitwirkte. "Unser neuer Transceiver ist der erste, der in diesem Teil des Spektrums End-to-End-Fähigkeiten bietet."

Sender und Empfänger zu verfügen, die eine solche hochfrequente Datenkommunikation bewältigen, seien entscheidend, um eine neue drahtlose Ära einzuleiten, die vom Internet der Dinge, autonomen Fahrzeugen und einem stark erweiterten Breitband für das Streaming hochauflösenden Video-Contents geprägt werde, sind die UCI-Wissenschaftler überzeugt.

Während dieser digitale Traum die Technologieentwickler seit Jahrzehnten antreibt, ist der Weg dorthin aber mit allerlei Stolpersteinen gepflastert. Laut Heydari wurden die Frequenzveränderungen von Signalen durch Modulation und Demodulation in Transceivern traditionell über die digitale Verarbeitung durchgeführt, wobei diese Methode an jedoch irgendwann physikalische Grenzen stößt.

"Das Gesetz von Moore besagt, dass wir die Geschwindigkeit von Transistoren, wie sie in drahtlosen Übertragungssystemen zu finden sind, steigern können, indem wir ihre Größe verringern. Doch lässt sich das nicht beliebig weit treiben", erklärt Heydari. "Man kann Elektronen nicht in zwei Hälften teilen. Folglich nähern wir uns immer mehr den Grenzen, die von der Halbleiterphysik vorgegeben werden."

Chip-Architektur überwindet physikalische Grenzen

Um dieses Problem zu umgehen, verwendeten die Forscher der NCIC Labs eine Chip-Architektur, die die Anforderungen an die digitale Verarbeitung durch Modulation der digitalen Bits im Analog- und Hochfrequenzbereich deutlich entspannt. Wie Heydari betont, ermöglicht diese nicht nur die Übertragung von Signalen im Bereich von 100 GHz, sondern auch einen deutlich geringeren Energieverbrauch als aktuelle Systeme - und das bei reduzierten Gesamtkosten, was der Technologie den Weg für eine breite Akzeptanz im Markt ebne.

Huan Wang, Doktorand der UCI und Mitglied der NCIC Labs, ist überzeugt, dass die neue "Beyond-5G"-Technologie in Kombination mit Phased-Array-Antennen eine Reihe von disruptiven Anwendungen in der drahtlosen Datenübertragung und -kommunikation ermöglichen dürfte. "Unsere Innovation macht kilometerlange Glasfaserkabel in Rechenzentren überflüssig, weshalb Betreiber von Data Centern ultraschnelle drahtlose Übertragungen durchführen und erhebliche Kosten für Hardware, Kühlung und Strom sparen können", betont Wang.

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