Per Funk ins 6G-Netz

Schneller, flexibler und weiter: Seit mehr als zwanzig Jahren erforscht und entwickelt Ingmar Kallfass, Leiter des Instituts für Robuste Leistungshalbleitersysteme an der Universität Stuttgart, Technologien für schnellere Kommunikationswege und globale Erreichbarkeit. Dabei verbindet er Halbleitertechnologien mit Funkkommunikationssystemen. Sein Ziel: höhere Datenraten für Mobilfunk und Internet. Mit einer Terahertz-Richtfunkverbindung will er den Ausbau des 6G-Netzes vorantreiben. Im Interview erklärt Kallfass, wie das per Funk gelingen kann und warum Halbleiter hierfür entscheidend sind. 

Wir beschäftigen uns am Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme (ILH) mit Systemen für die Leistungselektronik und für die Hochfrequenzelektronik. In beiden Fällen nutzen wir die Vorteile moderner Halbleiter, um beispielsweise Kommunikationssysteme leistungsfähiger zu machen. Wir wollen Mobilfunk und Internet noch schneller und stabiler machen – und dazu bringen wir beides, Halbleiter und Kommunikation zusammen.

Halbleiter haben eine entscheidende Eigenschaft, ohne die unsere moderne Technik nicht funktionieren würde: Sie lassen sich in ihrer elektrischen Leitfähigkeit durch ihre Materialzusammensetzung verändern und durch Steuersignale in höchster Geschwindigkeit steuern. Halbleiterbauelemente lassen sich auf Mikrochips verschalten. Diese Mikrochips findet man nicht nur in Computerprozessoren, im Mobilfunk und in der Internetkommunikation, sondern auch in elektrischen Antrieben und erneuerbaren Energien. Sie sind das Herzstück aller modernen Technologien.

Eine eigens entworfene Variante solcher Mikrochips steckt auch in einer von uns entwickelten Terahertz-Richtfunkverbindung. Wir sprechen hier von sehr hohen Radiofrequenzen und die erfordern besonders schnelle Mikrochips. Wir wollen mit solchen Richtfunkverbindungen unsere Kommunikation noch schneller und stabiler machen – auch über weite Distanzen. Und wir wollen mit dieser Technologie den Ausbau der nächsten Mobilfunkgeneration, also 6G, vorantreiben.

Richtfunkverbindungen machen es möglich, Daten zwischen zwei definierten Fixpunkten über die Luft zu senden und zu empfangen. Solche drahtlosen Verbindungen sind vergleichsweise unkompliziert und flexibel zu installieren. Deshalb kommen sie bevorzugt dort zum Einsatz, wo sehr viele Daten zusammenkommen und wo der Netzausbau bisher nicht weit fortgeschritten ist.

Wir betreiben hier auf dem Campus der Universität Stuttgart eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung über etwa 100 Meter von einem Dach zum anderen. Das Besondere an unserer Funkstrecke ist der Frequenzbereich: Wir nutzen eine Radiofrequenz von 300 Gigahertz (GHz). Das ist etwa vier- bis fünfmal mehr als im konventionellen Richtfunk üblich. Genau das macht den Unterschied. Je höher die Frequenz, desto höher sind die erzielbaren Datenraten. Das heißt, man kann viel mehr Daten in gleicher Zeit übertragen. Mit unserer Funkstrecke können wir bereits Datenraten von 200 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) erreichen – das ist etwa zehnmal mehr als im konventionellen Richtfunk. Im Labor konnten wir sogar schon mehr als 200 Gbit/s zeigen.

Der große Vorteil unserer Funkstrecke ist, dass sie selbst bei widrigen Wetterbedingungen stabil bleibt. Sie ist äußerst robust. Regen, Nebel oder Schnee hat sie im Praxistest bereits erfolgreich gemeistert, ebenso wie große Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsunterschiede. Das unterscheidet sie von anderen drahtlosen Kommunikationsformen, wie etwa Lasertechnologien. Hohe Luftfeuchtigkeit oder Regentropfen stören solche optischen Verbindungen, während wir stabil weiterfunken.

Das stimmt, 200 Gbit/s sind über Glasfaser nicht außergewöhnlich. Glasfaser hat aber einen entscheidenden Nachteil: Sie zu verlegen, ist aufwendig und sehr kostenintensiv. Wir wollen eine kostengünstige und praktikablere Lösung schaffen, die den Glasfaserausbau ergänzt. Wir sind überzeugt, dass der Ausbau des 6G-Netzes in naher Zukunft mit unserer Funktechnologie im Backhaul-Netz viel schneller gelingen kann.

Im Mobilfunknetz verbinden sich unsere Endgeräte mit einer Basisstation. Diese wiederum transportieren die Daten über das Backhaul-Netz weiter ins Hauptnetz, welches alle Basisstationen miteinander verbindet. Meist sind Basisstationen per Glasfaser miteinander verbunden. Bei LTE und 5G war es in Deutschland so, dass die Basisstationen nicht schnell genug geplant und angeschlossen werden konnten. Es kam zu Funklöchern. Per Funk ginge der Anschluss deutlich einfacher, flexibler und vor allem günstiger.

Mit Funk können wir Lücken im Glasfasernetz schließen. Wir sprechen hier von der „letzten Meile“: Haushalte in ländlichen Gebieten können wir per Richtfunk unkompliziert ans Netz mit hoher Datenrate anschließen. Auch für Notrufe in schwer erreichbaren Regionen bietet unsere Funkstrecke eine echte Lösung. Dass das möglich ist, haben wir 2024 mit der ersten 6G-Berg-Tal-Verbindung in den Alpen gezeigt.

Damit wir diese hohen Datenraten erreichen können, müssen wir einerseits leistungsstärkere Mikrochips entwickeln. Wir arbeiten hier mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg zusammen, das unsere Designs fertigt. Mein Kollege Simon Haußmann beschäftigt sich in seiner Doktorarbeit hier am ILH damit, wie man diese speziellen Mikrochips im Funksystem integriert und mit dem Mobilfunknetz und dem Internet verbindet. Vereinfacht gesagt, übersetzen und verstärken diese Chips Signale aus niedrigen Frequenzbereichen – wo sich unsere Mobiltelefone und unser WLAN bewegen – in den Terahertz-Bereich. Unsere Chips testen wir direkt im Livebetrieb mit realem Internetdatenaufkommen.

Die andere große Herausforderung, an der wir arbeiten, sind leistungsstärkere Modems. Modems kann man sich wie schnelle Computer vorstellen, die Internetdaten in Signale umwandeln. Handelsübliche Modems sind mit unserem System zwar kompatibel, limitieren aber die Datenrate – sie sind quasi zu langsam. Deshalb haben wir bislang mehrere Modems parallel im Betrieb. Das ist wenig praxistauglich und recht kostenintensiv. Um künftig hohe Datenraten zu erzielen, entwickeln und testen wir gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) leistungsstärkere Modems.

Wir wollen nicht nur „die letzte Meile“ gehen, sondern darüber hinaus einen echten Mehrwert in der modernen Kommunikation schaffen. Das Datenaufkommen wird immer größer, unser Netz ist dem bald nicht mehr gewachsen. Dass wir es mit unserer Technologie vom Labormaßstab ins Netz schaffen und damit einen Beitrag leisten zu schnellerer, stabiler und flexiblerer Kommunikation selbst an den entlegensten Orten der Welt – das ist meine Vision und das treibt mich und mein Team weiter an.

Über Ingmar Kallfass
Prof. Ingmar Kallfass studierte Elektrotechnik an der Universität Stuttgart und kehrte 2013 nach Forschungsaufenthalten am University College Dublin, an der Universität Ulm, am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg (IAF) und am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zurück an seine Alma Mater. Seither leitet er das Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme (ILH) der Universität Stuttgart.
Kallfass’ Forschungsschwerpunkte liegen auf der Entwicklung von Systemen für Leistungs- und Hochfrequenzelektronik sowie von Funkkommunikationssystemen mit hohen Datenraten für Anwendungen mit Breitbandinternet. In seiner Forschung kooperiert er eng mit dem Fraunhofer IAF und dem KIT. Als Projektleiter forscht er im Stuttgarter Sonderforschungsbereich ATLAS (SFB 1667) zu Satellitenkommunikation mit extrem hohen Datenraten im niedrigen Erdorbit (VLEO). Außerdem engagiert er sich in der Nachwuchsförderung und -ausbildung am Graduiertenkolleg „Intelligent Methods for Test and Reliability“.