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Datenübertragung Weltrekord in der terrestrischen Funkübertragung

Autor / Redakteur: Sebastian Gerstl / Rainer Graefen

Mit einer Datenrate von 6 GBit/s über eine Entfernung von 37 Kilometern hat ein Forschungsverbund unter Beteiligung von Forschenden der Universität Stuttgart und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) eine neue Rekordgeschwindigkeit in der terrestrischen Datenübertragung aufgestellt.

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E-Band-Sender mit Parabolantenne: Die hierin verbauten integrierten Schaltungen weisen besonders große Leistungsfähigkeit auf. Mit einem solchen Aufbau erreichten Forschende der Universität Stuttgart und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) mit 6 GBits/s über 37 Kilometer einen neuen terrestrischen Geschwindigkeitsrekord.
E-Band-Sender mit Parabolantenne: Die hierin verbauten integrierten Schaltungen weisen besonders große Leistungsfähigkeit auf. Mit einem solchen Aufbau erreichten Forschende der Universität Stuttgart und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) mit 6 GBits/s über 37 Kilometer einen neuen terrestrischen Geschwindigkeitsrekord.
(Bild: Jörg Eisenbeis, KIT)

Der Rekord kommt der Übermittlung des gesamten Inhalts einer handelsüblichen DVD innerhalb von 10 Sekunden gleich – per Richtfunk. Mit der erreichten Datenrate von 6 GBit/s hat Verbundprojekt ACCESS (Advanced EBand Satellite Link Studies) den aktuellen Stand der Übertragungstechnik um den Faktor 10 übertroffen.

Der Verbund besteht aus einer Forschungsgruppe um Prof. Ingmar Kallfass vom Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme (ILH) der Universität Stuttgart, dem Institut für Hochfrequenztechnik und Elektrotechnik (IHE) des KIT, der Radiometer Physics GmbH und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF.

Verstärkung gleicht Signalabschwächung aus

Dem Team gelang die Rekord-Datenübertragung auf einer Strecke zwischen Köln und dem 36,7 km entfernten Wachtberg. Die Stationen standen auf dem 45-stöckigen Uni-Center in Köln und dem Gelände des Weltraumbeobachtungsradar TIRA am Fraunhofer- Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) in Wachtberg.

Die extrem hohe Datenrate von 6 GBit/s erzielte die Gruppe durch leistungsfähige Sender und Empfänger bei einer Radiofrequenz von 71–76 Gigahertz (GHz) im für den terrestrischen und Satellitenfunk freigegebenen „E-Band“. Nur in diesem Frequenzbereich mit Millimeterwellen stehen die erforderlichen hohen Nutzbandbreiten zur Verfügung, um die erzielten enormen Datenraten zu verwirklichen.

Eine weitere Schwierigkeit ist die Abschwächung der Signale über größere Entfernungen. Entsprechend stark muss gesendet werden, entsprechend leistungsfähig muss am Ende der Verstärker sein. Schlüssel zu der einzigartigen Kombination aus Gigabit-Datenrate und Höchstdistanz bilden die leistungsfähigen Sender und Empfänger in Form voll monolithisch integrierter Millimeterwellen-Schaltungen (MMICs).

Bedarf an hohen Datenraten steigt – zahlreiche Anwendungsgebiete

Übertragungstest: Sichtpeilung ausgehend vom Sender auf dem Uni-Center Köln zum Radom des Fraunhofer FHR in Wachtberg (als Kuppel am Horizont rechts unter dem Kreuz erkennbar).
Übertragungstest: Sichtpeilung ausgehend vom Sender auf dem Uni-Center Köln zum Radom des Fraunhofer FHR in Wachtberg (als Kuppel am Horizont rechts unter dem Kreuz erkennbar).
(Bild: Jörg Eisenbeis, KIT)

Den Schaltungen liegen zwei innovative Transistortechnologien zugrunde, die der Projektpartner Fraunhofer IAF entwickelt und hergestellt hat. Im Sender werden die breitbandigen Signale mit Hilfe von Leistungsverstärkern auf Basis des neuartigen Verbindungshalbleiters Galliumnitrid auf eine vergleichsweise hohe Sendeleistung von bis zu 1 Watt gebracht. Eine hoch gerichtete Parabolantenne strahlt die Signale ab. Im Empfänger sind rauscharme Empfangsverstärker auf Basis von Höchstgeschwindigkeitstransistoren, unter Verwendung von Indium-Gallium-Arsenid-Halbleiterschichten mit sehr hoher Elektronenbeweglichkeit, eingebaut. Sie sorgen für die Detektion der über die Entfernung äußerst stark abgeschwächten Signale.

Vielzahl an Anwendungsgebieten möglich

Die Übertragung hoher Datenmengen per Funk über große Distanzen dient einer Vielzahl wichtiger Anwendungsgebiete: Die nächste Generation der Satellitenkommunikation erfordert einen immer größeren Datenfluss von Erdbeobachtungssatelliten zur Erde.

Die Versorgung des ländlichen Raumes und entlegener Gebiete mit schnellem Internet ist bei einer Datenrate wie bei dem Versuch möglich. 250 Internetanschlüsse könnten mit 24 MBit/s ADSL versorgt werden. Terrestrische Funkübertragung im E-Band eignet sich als kosteneffizienter Ersatz für das Verlegen von Glasfaser oder als Adhoc-Netz im Krisen- und Katastrophenfall, bis hin zur Verbindung von Basisstationen im Backhaul der Mobilkommunikation.

Dem ungebremst ansteigenden Bedarf an immer höheren Datenraten in fasergebundenen und drahtlosen Kommunikationsnetzen kann nur mit technologischen Innovationen bei der Netzinfrastruktur begegnet werden. Moderne Entwicklungen wie das Internet der Dinge und Industrie 4.0 stehen darüber hinaus erst an ihrem Anfang.

Sie verlangen nach bisher nie dagewesenen aggregierten Datenmengen. Deren Verarbeitung und Übertragung in cloud-basierten Diensten bringt die Kommunikationsinfrastruktur bereits heute an ihre Grenzen. Auch in der Satellitenkommunikation führen die Fortschritte in der Erdbeobachtung und Weltraumforschung sowie Pläne eines weltumspannenden Satellitennetzes zu bisher ungelösten Herausforderungen in der Kommunikationsinfrastruktur.

ACCESS wurde zum 30. April beendet und findet seine Fortsetzung im Nachfolgeprojekt ELIPSE (E-Band Link Platform and Test for Satellite Communication). Ziel war die nächste Generation von Kommunikationssystemen für die schnelle Anbindung von Satelliten. Eine weitere Anwendung liegt aber auch im terrestrischen Richtfunk.

(ID:44068603)

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