6G-Mobilfunk Erhöhte Datenrate in der Mobil-Kommunikation mit 3D-Reflektoren

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Die nächste Generation der drahtlosen Kommunikation benötigt nicht nur mehr Bandbreite bei höheren Frequenzen – sie braucht auch etwas mehr Zeit. Einen entsprechenden Chip haben jetzt Forscher an der Cornell-Universität entwickelt: Zeitverzögerung statt Phasenverzögerung.

Forscher der US-amerikanischen Cornell-Universität in New York haben einen Halbleiterchip entwickelt, der die notwendige Zeitverzögerung hinzufügt, damit sich Signale, die über mehrere Arrays gesendet werden, an einem einzigen Punkt im Raum ausrichten können. Dieser Ansatz soll es immer kleineren Geräten ermöglichen, mit den höheren Frequenzen zu arbeiten, die für die künftige 6G-Kommunikation benötigt werden.

Der Großteil der aktuellen drahtlosen Kommunikation, wie zum Beispiel 5G-Telefone, arbeitet mit Frequenzen unterhalb von 6 GHz. Technologieunternehmen haben sich aber zum Ziel gesetzt, eine neue Welle der 6G-Mobilfunkkommunikation zu entwickeln, die Frequenzen über 20 GHz nutzt. Hier steht eine größere Bandbreite zur Verfügung. Das bedeutet, dass mehr Daten mit höherer Geschwindigkeit übertragen werden können. 6G soll 100-mal schneller sein als 5G.

Da die Datenverluste durch die Umgebung bei höheren Frequenzen jedoch größer sind, kommt der Art wie die Daten übertragen werden, eine große Bedeutung zu. Anstelle eines einzigen Senders und eines einzigen Empfängers verwenden die meisten 5G- und 6G-Sendeanlagen sogenannte Phased-Array-Antennen (phased array‚ phasengesteuertes Feld). Dabei handelt es sich um eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit starker Richtwirkung, die eine Bündelung der Strahlungsenergie durch die Anordnung und Verschaltung von Einzelstrahlern erreicht.

„Jede Frequenz im Kommunikationsband durchläuft unterschiedliche Zeitverzögerungen“, erklärt Doktorrand Bal Govind. „Das Problem, mit dem wir uns befassen, ist Jahrzehnte alt – es geht darum, Daten mit hoher Bandbreite auf wirtschaftliche Weise zu übertragen, damit die Signale aller Frequenzen zur richtigen Zeit am richtigen Ort ankommen.“

„Es geht nicht nur darum, etwas mit einer ausreichenden Verzögerung zu entwickeln, sondern etwas mit einer ausreichenden Verzögerung, bei der man am Ende immer noch ein Signal hat“, sagt Professorin Alyssa Apsel in Cornell Engineering. „Der Trick ist, dass wir das ohne enorme Verluste geschafft haben.“

Diese Zeitverzögerung wurde bisher durch Phasenverschiebungsschaltungen erzeugt, die jedoch nur eine bestimmte Datenmenge verarbeiten können. Das ist ein spezielles Problem bei Breitbandsignalen, bei denen die höchsten und die niedrigsten Frequenzen aus der Phase fallen können, wodurch das Signal verschwimmt. Ein Phänomen, das als „Beam Squint“ (Strahlenschielen) bekannt ist. Die Integration von Zeitverzögerungsschaltungen in einen winzigen Chip, der in ein Smartphone passt, ist keine leichte Aufgabe.

CMOS-Chip mit Reflektoren statt Leitungen

„Die meisten Zeitverzögerungen werden buchstäblich mit einem langen Draht konstruiert, mit dem man ein Signal von Punkt A nach Punkt B verzögern kann. Und diese Verzögerung muss abstimmbar sein, damit wir den Strahl an verschiedene Orte umleiten können. Wir wollen, dass er rekonfigurierbar ist“, meint Apsel.

Govind arbeitete mit dem Postdoktoranden Thomas Tapen zusammen, um einen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) zu entwickeln, der eine Zeitverzögerung über eine ultrabreite Bandbreite von 14 GHz mit einer Phasenauflösung von bis zu einem Grad einstellen kann.

Govind: „Da das Ziel unseres Entwurfs darin bestand, so viele dieser Verzögerungselemente wie möglich unterzubringen, stellten wir uns vor, wie es wäre, den Signalweg in dreidimensionalen Wellenleitern zu wickeln und Signale an ihnen abprallen zu lassen, um eine Verzögerung zu bewirken, anstatt wellenlange Drähte seitlich über den Chip zu verlegen.“

Das Team entwickelte eine Reihe dieser 3D-Reflektoren, die aneinander gereiht eine „abstimmbare Übertragungsleitung“ bilden.

Der daraus resultierende integrierte Schaltkreis benötigt 0,13 mm² Platz und ist damit kleiner als Phasenschieber. Er verdoppelt aber nahezu die Kanalkapazität – das heißt die Datenrate – herkömmlicher drahtloser Arrays. Durch die Erhöhung der prognostizierten Datenrate könnte der Chip einen schnelleren Service bieten und mehr Daten zu den Mobilfunknutzern bringen.

„Das große Problem bei Phased-Array-Antennen ist der Kompromiss zwischen dem Versuch, diese Dinger klein genug zu machen, um sie auf einem Chip unterzubringen, und der Beibehaltung der Effizienz“, so Apsel. „Die Antwort, auf die sich der Großteil der Industrie geeinigt hat, lautet: 'Nun, wir können keine Zeitverzögerung machen, also machen wir eine Phasenverzögerung'. Und das schränkt die Menge an Informationen, die man übertragen und empfangen kann, grundlegend ein. Das wird einfach so hingenommen.“

„Ich glaube, eine unserer wichtigsten Innovationen ist wirklich die Frage: Muss man das so bauen?“ sagt Apsel. „Wenn wir die Kanalkapazität um den Faktor 10 erhöhen können, indem wir eine Komponente ändern, ist das ein interessanter Wandel in der Kommunikation.“

Die Arbeit des Teams mit dem Titel „Ultra-Compact Quasi-True-Time-Delay for Boosting Wireless Channel-Capacity“ wurde in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Hauptautor ist Doktorand Bal Govind, Co-Autor Thomas Tapen.(kr)

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* Henning Wriedt ist freier Fachautor.

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