Für die Zukunft ausgestattet

In hohen Frequenzen

17. Januar 2022 Drahtlose Kommunikationstechnik

Energie, Mobilität und Kommunikation sind drei Hightech-Zukunftsfelder, die sich erst durch zielgerichtete Forschung – und bestmögliches Equipment – adäquat erschließen lassen. Elektrotechnik spielt hier eine zentrale Rolle; im Fall der Kommunikation vor allem das Teilgebiet der Nachrichtentechnik, das sich unter anderem mit der Übertragung von Informationen beschäftigt. Bei stetig wachsendem Gebrauch von mobiler Telefonie und kabellosem Datentransfer etwa bei der Internetnutzung über WLAN ist es da wichtiger denn je, immer neue Übertragungsmöglichkeiten zu erschließen. Denn irgendwann wird es auf den üblichen Übertragungswegen einfach zu eng, und das ganze Spektrum ist belegt.

UWB MIMO-Channel Sounder

„Insbesondere die drahtlose Kommunikationstechnik geht mehr und mehr in die höheren Frequenzen“, sagt auch Thomas Kürner von der TU Braunschweig. „Ganz einfach deshalb, weil da noch größere Bandbreiten zur Verfügung stehen und sich höhere Datenraten realisieren lassen. Momentan ist hier besonders ein Frequenzbereich von 300 Gigahertz und höher interessant.“

Klingt logisch. Das Problem dabei ist nur, dass die hohen Frequenzbereiche beim Einsatz in sich ändernden Umgebungen besonders instabil sind. In einem vollbesetzten ICE zum Beispiel würde es bei einer einfachen Übertragung schon reichen, wenn einer der Passagiere durch den Gang zur Toilette oder ins Bordbistro geht: Schon wäre der Internetempfang der anderen durch Abschattung der Funkwellen empfindlich gestört. Im urbanen Raum reicht schon eine Häuserwand in einer Straßenflucht. „Bei traditionellen Mobilsystemen im einstelligen Gigahertzbereich haben Sie wegen der Beugung des Signals um das Gebäude herum trotzdem noch Empfang“, sagt Kürner. „In diesen höheren Frequenzbereichen kommt über Beugung nichts mehr an.“

Eine Lösung versprechen gerade bei diesen hohen Frequenzen sogenannte Multiple-Input-Multiple-Output-Verfahren (MIMO). Sie umgehen Hindernisse dadurch, dass sie bei der drahtlosen Kommunikation mit mehreren Sende- und Empfangsantennen arbeiten. „Ein solches MIMO-System muss so intelligent sein, dass es bei Störungen durch Hindernisse nach Ersatzwegen sucht, um trotzdem eine lückenlose Übertragung zu gewährleisten“, sagt Kürner. Um das zu erreichen, muss die Übertragung für jede Frequenz erst einmal in Realumgebungen getestet werden, bevor aus den Erkenntnissen charakteristische Funkparameter für weiterführende Simulationen generiert werden können. Denn jeder unerschlossene Frequenzbereich ist zunächst Neuland. Welche Effekte und Phänomene relevant sind, ist zunächst Terra incognita.

Bei der Charakterisierung der Ausbreitungsumgebungen hilft in Braunschweig ein weltweit einmaliger und an der TU Ilmenau gebauter UWB MIMO-Channel Sounder für Funkkanalmessungen, den die DFG im Rahmen des Programms „Forschungsgroßgeräte nach Art. 91b GG“ anteilig zur Hälfte mitfinanziert hat. 2017 war der Channel Sounder erstmals im Einsatz, 2020 hat Kürner den Abschlussbericht vorgelegt.

Getestet hat Kürner die Möglichkeiten einer Übertragung bei 300 Gigahertz mit Channel-Sounder-Messreihen zwischen und innerhalb von Eisenbahnwagen, zwischen Autos und in der Flugzeugkabine. Aber im Rahmen eines EU-Projekts auch im Rechenzentrum, wo hochfrequente Möglichkeiten eines Tages die Übertragung durch Glasfaserkabel ersetzen sollen. Vielleicht werden diese Möglichkeiten dann wieder von der DFG begutachtet oder finanziert. In der Welt der Wissenschaftlichen Großgeräte und Infrastrukturförderung hängt eben alles irgendwie zusammen.