5G/6G und IoT
5G/6G und IoT Optimistisch in die Zukunft blicken Die Technologien für 6G Das Kommunikationssystem der nächsten Generation 6G geht 2022 an den Start. Welche Erwartungen kann es erfüllen und welche nicht? Dieser Frage kommt man näher, indem man versucht, die Technologiekandidaten auszumachen, die für die Erfüllung der Anforderungen für 6G unerlässlich sein werden. Es gibt verschiedene Herausforderungen bei der Entwicklung zukünftiger drahtloser Systeme. Bestimmte noch zu entwickelnde Technologien stellen können dabei Schlüsselfaktoren für die Realisierung von 6G sein. Doch so vielversprechend und reizvoll diese Technologien auch erscheinen mögen, so sicher scheint es auch, dass in Zukunft weitere Technologien zu berücksichtigen sind und dass heutige Ansichten über die Bedeutung und Nützlichkeit verschiedener Technologien im Laufe der Forschung und Entwicklung revidiert oder angepasst werden müssen. Die aktuellen Techno- Kandidaten Zu diesen aktuell als notwendig erscheinenden Technologien zählen insbesondere folgende: • Nutzung des Terahertz- Bereichs • neuartige Antennentechnologien • eine weiterentwickelte Duplextechnologie • eine neuentwickelte Netztopologie • Spektrum-Sharing • umfassende KI • Split-Computing und • ein hochpräzises Netzwerk Terahertz-Bänder: Vorstoß bis 3000 GHz Es ist inspirierend, dass die Federal Communications Commission (FCC) im März 2019 das Spektrum zwischen 95 und 3000 GHz für die experimentelle Nutzung und nichtlizenzierte Anwendungen geöffnet hat, um die Entwicklung neuer drahtloser Kommunikationstechnologien zu fördern. Außerdem gibt es Diskussionen zu Anwendungsfällen und Einsatzszenarien für 5G-Funksysteme mit Frequenzbändern jenseits von 52,6 GHz. Diesem Trend folgend, es ist unvermeidlich, dass der Mobilfunk Bänder im Terahertz- Bereich, speziell im Abschnitt 0,1…10 THz, in zukünftigen drahtlosen Systemen Berücksichtigung finden. Denn hiermit erhält man eine enorme verfügbarer Bandbreite, was extrem breitbandige Kanäle (mehreren 10 GHz breit) ermöglicht. Das ist der Weg, um die 6G-Anforderung der Tbit/s-Datenrate zu erfüllen. In Anbetracht des Fortschritts verwandter Technologien erwartet man bei Samsung, dass 6G-Systeme teilweise für die Nutzung bis zu 3000 GHz ausgelegt sein werden, wie im Aufmacherbild gezeigt. Während die Verfügbarkeit von Breitbandspektrum der Hauptgrund für THz-Kommunikation ist, können auch andere Vorteile realisiert werden. Beispielsweise kann die Kommunikation im THz- Quelle: 6G The Next Hyper-Connected Experience for All. Samsung Research 2021 freie Teilübersetzung von FS Bild 1: Metasurface Lens 32 hf-praxis 5/2022
5G/6G und IoT Bild 2: Metamaterial-Antenne Band potenziell eine hochpräzise Positionierung ermöglichen aus folgenden Gründen: 1) extrem breitbandige Wellenformen (vgl. 4G 6 GHz, 5G 110 GHz, 6G 3000 GHz) 2) Verbindungen zwischen Sender und Empfänger ist höchstwahrscheinlich eine Sichtverbindung (LoS), daher keine Umwege oder Reflexionen. 3) mögliche Verwendung von spitz gebündelten Strahlen, die sowohl in Azimut als auch in Elevation gelenkt werden, damit stark verbesserte Winkelauflösung und Triangulationsgenauigkeit der 3D-Positionsschätzung Um jedoch in der Praxis eine stabile THz-Kommunikation zu realisieren, ist ein Satz grundlegender technischer Herausforderungen zu meistern. Im Folgenden beleuchten wir einige dieser Herausforderungen, meist aus Sicht der physikalischen Schicht. THz-Herausforderungen: • starker Pfadverlust und atmosphärische Absorption Der Freiraumpfadverlust ist proportional zum Quadrat der Signalfrequenz. Zum Beispiel hat ein Link bei 280 GHz 20 dB zusätzliche Pfaddämpfung im Vergleich zu 28 GHz. Trotzdem kann der starke Wegverlust im THz-Band überwunden werden, z.B. durch die Verwendung sehr großer Antennenarrays an Basisstationen (ultramassive MIMO). Auf diese Weise und möglicherweise mithilfe anderer Konzepte werden im Rahmen der physikalischen Möglichkeiten effiziente THz-Kommunikationssysteme für den Innen- und Außenbereich entwickelt werden. • HF-Frontend, Photonik und Datenkonvertierung Das THz-Band wird oft als THz-Lücke bezeichnet, hauptsächlich aufgrund des Fehlens effizienter Geräte, die Signale in diesen Frequenzbereichen erzeugen und erkennen können. In diesen Bändern sind die Geräteabmessungen relativ groß im Verhältnis zur Wellenlänge, und dies führt zu einem hohen Leistungsverlust bzw. zu geringer Effizienz. Positiv ist, dass die Forscher während des letzten Jahrzehnts große Anstrengungen unternommen haben, um THz- Technologien im Chip-Maßstab zu entwickeln. Daraus resultieren heute Halbleitertechnologien auf Basis von InP, GaAs, SiGe und sogar CMOS. Diese sind in der Lage, im unteren THz-Band Energie im Milliwattbereich mit akzeptabler Effizienz zu erzeugen. Allerdings ist eine Weiterentwicklung der Festkörperelektronik erforderlich für den Betrieb im hohen THz-Band. Weitere Herausforderungen: Bild 3: OAM Multiplexing mit verschiedenen OAM Modes • Transport des Signals innerhalb des integrierten Systems und zur Antenne mit geringem Verlust • Häusung des integrierten Systems ohne nennenswerte Verluste und Aufrechterhaltung guter Wärmeableitung • Verringern des Mischer-Phasenrauschens • stromsparende Multi-GS/s- ADCs und DACs sowie • stromsparende Devices mit digitalem Eingang/Ausgang (IO) zu DACs und ADCs zum Übertragen von Daten mit Tbit/s-Datenrate Neuartige Antennentechnologien: Linsenund Beamforming-Architektur Der Übergang in den THz- Bereich bedeutet einen drastischen Anstieg der Pfaddämpfung. Folglich sind beispiellose massive Antennenarrays notwendig, um die Wegdämpfung zu kompensieren. Das Entwerfen solcher Arrays, die mit hoher Effizienz bei THz-Frequenzen arbeiten, ist mit vielen Herausforderungen an das allgemeine Design, das Speisenetz und die Antennenelemente verbunden. Das Ziel sind ultramassive Arrays mit sehr fokussierten Strahlen, ähnlich wie Laserstrahlen. Dadurch hängt die Kommunikationsverbindungen bei diesen Frequenzen von der LoS und dem Vorhandensein fokussiert-reflektierter Pfade ab, nicht jedoch von Streu- und Beugungspfaden. Es ist von großer Bedeutung, die Beamforming- hf-praxis 5/2022 33
