5G und IoT Moving Up in Frequency Warum das D-Band das nächste Ziel für 5G-XHaul ist große Mengen weiterer Bandbreite verfügbar werden, wird sich wahrscheinlich als Teil der Lösung erweisen. Modulationstechniken höherer Ordnung können auch die Datenraten erhöhen, diese erfordern jedoch höhere Signal/Rausch- Verhältnisse und sehr lineare Komponenten, um die Fehlerrate auf ein Minimum zu beschränken. Es wurde auch gezeigt, dass Mehrkanalsysteme wie XPIC (Cross-Polarization Ion Interference Cancelling) und MIMO mit Sichtverbindung verbesserte Datenraten bieten, jedoch teurere Funkgeräte erfordern. Dieser Artikel beschreibt ein von Innovate UK finanziertes Verbundprojekt für mmWave- Technologieprojekte der nächsten Generation für bis zu 175 GHz, um aufkommende drahtlose 5G-XHaul- Anforderungen mit bis zu 100 GBit/s zu ermöglichen. Quelle: Moving Up in Frequency – Why D-band is the Next Frontier for XHaul 5G by Dan Rhodes & Mike Geen, Filtronic übersetzt von FS XHaul steht für Fronthaul-, Midhaul- und Backhaul-Transportnetze, welche die einzelnen Zellenstandorte untereinander, mit dem Core-Netz und schließlich auch mit den Rechenzentren verbinden, wo die angebotenen Inhalte gehostet werden. Stand der Technik und Ausblick Das E-Band ist als attraktive und kostengünstige Lösung mit hoher Kapazität für mmWave- XHaul-Anwendungen etabliert, welche Funkverbindungen mit bis zu 20 GBit/s unterstützen. Die im E-Band verfügbaren Spektrumszuordnungen sind 71…76 und 81…86 GHz. Die ständig steigende Nachfrage nach Daten bedeutet jedoch, dass in 5G-XHaul-Netzwerken noch höhere Kapazitäten erforderlich sein werden und der Bedarf an Verbindungen mit bis zu 100 GBit/s bereits zu erkennen ist. Die Verlagerung des Frequenzspektrums auf W-Band- und D-Band-Systeme, bei denen Die höheren Bänder Das W-Band bezieht sich auf den Bereich der Funkfrequenz von 92 bis 114,5 GHz und das D-Band umfasst normalerweise Frequenzen im Bereich von 130 bis 175 GHz, wie in Bild 1 gezeigt. Die atmosphärische Das EU-Forschungsprojekt 5G-XHaul Ende Juni 2018 wurde das EU-finanzierte Forschungsprojekt 5G-XHaul, koordiniert vom IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik, mit einer Demoveranstaltung an der Universität Bristol, UK, abgeschlossen. Das Hauptziel bestand darin, sicherzustellen, dass jeder Smartphone-Benutzer eine zuverlässige, ununterbrochene und sehr schnelle Netzwerkverbindung hat. Weiterhin hatte das Projekt das Ziel, Lösungen für die wachsende Nachfrage nach Breitbandanschlüssen zu finden. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, mussten kosteneffektive und leistungsfähige Netzwerke entwickelt werden. Einer der Schwerpunkte von 5G-XHaul war die Sicherstellung der Anbindung von Innenstadtbereichen, Stadien, Flughäfen und anderen Verkehrsknotenpunkten an das Kerntelekommunikationsnetz mit dynamisch adaptierbarer Kommunikation. 5G-XHaul ist ein Phase-1- Verbundprojekt im Rahmen der 5G-Public-Private-Partnership (5G-PPP), die ihrerseits eine gemeinsame Initiative der Europäischen Kommission und der europäischen Informations- und Kommunikationsindustrie ist. www.everythingrf.com/community/moving-up-in-frequency-why-d-band-is-the-next-frontier-for-xhaul 38 hf-praxis 6/2021
5G und IoT Bild 1: Die Bänder von 71 bis 174,8 GHz Dämpfung im W-Band ist sehr hoch und ähnlich wie im E-Band, während die Regendämpfung im D-Band nur etwa 2 dB höher ist und über den Frequenzbereich nahezu flach verläuft. Eine Antenne der gleichen Größe bietet einen höheren Gewinn im D-Band als im E-Band. All diese Eigenschaften machen das D-Band-System zu einem guten Kandidaten für drahtlose Verbindungen mit extrem hoher Kapazität der nächsten Generation. Vom ETSI durchgeführte Systemsimulationen legen nahe, dass Verbindungsabstände von mehreren hundert Metern bei D-Band-Frequenzen mit Antennengrößen, die jetzt im E-Band genutzt werden, praktisch gut machbar sind. Im Jahr 2018 gab das Europäische CEPT-Komitee für elektronische Kommunikation (ECC) die Empfehlung Bild 2: Verfügbare Bandbreite im D-Band 18 (01) heraus, in der Teilbänder mit mehr als 30 GHz über die folgenden Frequenzen für eine mögliche Verwendung im D-Band für Backhaul und Fronthaul mit festem Dienst identifiziert wurden: 130…134, 141…148,5, 151,5…164 und 167…174,8 GHz. Diese Bänder und die jeweils zur Verfügung gestellte Bandbreite sind in Bild 2 zusammengefasst. Diese CEPT-Empfehlung hat ein erhebliches Interesse an der Entwicklung der D-Band-Komponententechnologien geweckt, die für die Herstellung solcher Verbindungen in Zukunft erforderlich sein werden. Das leistet die Halbleiterindustrie In Bezug auf die Halbleitertechnologien zur Verwendung im D-Band können die vorgeschlagenen Bänder mit der III- V-MMIC-Technologie unterstützt werden. 100-nm-InGaAs-mHEMT-Geräte können für Leistungsverstärker bis 155 GHz verwendet werden, und InP-pHEMT-Geräte mit einem 100-nm-Prozess können für PAs bis 170 GHz verwendet werden. Es entstehen InP-DHBT-Prozesse mit fmax über 650 GHz, die im gesamten D-Band eine vielversprechende Leistung zeigen. Bei rauscharmen Verstärkern (LNAs) können Geräte mit 35 nm-InP-pHEMT- und 50 nm InGaAs-mHEMT-Prozessen eine Leistung von bis zu 185 GHz und darüber hinaus erzielen. Siliziumbasierte Technologien haben gezeigt, dass PAs und LNAs bei SiGe bis zu 160 GHz und bei SOI-CMOS bis zu 140 GHz arbeiten. Die SiGe-Technologie entwickelt sich weiter und spezialisierte Halbleiterhersteller bieten Prozesse mit fmax >400 GHz an. Alle diese Geräte wären jedoch kundenspezifisch, da derzeit keine kommerziellen Standardgeräte in diesen Frequenzbändern verfügbar sind. Gelungenes gemeinsames Projekt Das von Innovate UK finanziertes Projekt wurde durchgeführt, um auf früheren Forschungsarbeiten zu D-Band- Komponenten aufzubauen und Methoden zu entwickeln, um diese in ein Sende-Empfangs- Modul zur Verwendung in Hochgeschwindigkeitsverbindungen zu integrieren. Insbesondere konzentrierte es sich auf die Entwicklung eines robusten Verfahrens zum Herstellen verlustarmer Verbindungen zwischen den aktiven Schaltkreisen im Modul und der externen Schnittstelle, bei der es sich im Allgemeinen um einen Wellenleiteranschluss handelt, der mit einer externen Antenne verbunden ist. Filtronic und das britische NPL (National Physical Laboratory) arbeiteten an dem Projekt zusammen, das im Januar 2019 erfolgreich abgeschlossen wurde. Filtronic untersuchte Konstruktionen und Montagetechniken, um verlustarme D-Band-Übergänge zwischen integrierten mmWave- Schaltkreisen (MMICs) und verschiedenen externen Schaltkreisen bereitzustellen. Neue Methoden zur Kalibrierung und Messung auf dem Wafer wurden gemeinsam entwickelt. Das Aufmacherfoto zeigt den Testaufbau. Filtronic arbeitet weiterhin mit NPL bei D-Band-Messungen zusammen. ◄ hf-praxis 6/2021 39
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