„Beyond 5G“: Neuartiger Funk-Transceiver nutzt Frequenzen über 100 GHz

| Autor: Michael Eckstein

Schnell und sparsam: Die Architektur des „Ende-zu-Ende-Transceivers“ kombiniert digitale und analoge Komponenten auf einem Chip.
Schnell und sparsam: Die Architektur des „Ende-zu-Ende-Transceivers“ kombiniert digitale und analoge Komponenten auf einem Chip. (Bild: Steve Zylius / UCI)

Mit seiner Mixed-Signal-Architektur soll der Sende- und Empfangs-Chip hohe Übertragungs-Geschwindigkeiten erreichen, die deutlich über dem Maximaltempo des 5G-Mobilfunks liegen. Der Wireless-Chip habe „das Potenzial, die Telekommunikationsbranche zu verändern“.

Ein neuer Transceiver-Funkchip soll eine ultraschnelle Datenübertragung bei geringerem Energieverbrauch ermöglichen. Laut den Entwicklern am „Nanoscale Communication Integrated Circuits Labs“ (NCIC) ist die hochintegrierte Mixed-Signal-Schaltung in der Lage, sehr hohe Frequenzen im Bereich über 100 Gigahertz zu nutzen. Dadurch würde er „die vierfache Geschwindigkeit des neuen 5G-Standards erreichen“.

Außerdem würde „durch einen Betrieb bei hohen Frequenzen jedem Nutzer mehr Bandbreite zur Verfügung stehen“, sagt Professor Payam Heydari, der das Projekt am NCIC-Lab leitet. Heydari ist Director des Labs sowie Professor für Elektrotechnik und Informatik an der University of California in Irvine (UCI). Unter seiner Leitung haben der Elektroingenieur Dr. Hossein Mohammadnezhad und der Doktorand Huang Wang den Chip entwickelt. TowerJazz und STMicroelectronics unterstützen das Forschungsprojekt – sie haben die Fertigung des Halbleiterchips übernommen.

Der „Ende-zu-Ende-Transmitter-Receiver“ basiere auf einer neuartigen digital-analogen Architektur. Damit könne der nur 4,4 Quadratmillimeter kleine Chip digitale Signale deutlich schneller und energieeffizienter verarbeiten als bisherige Transceiver. „Er erreicht Übertragungsgeschwindigkeiten, die zwei Größenordnungen über dem liegen, was mit der 5. Mobilfunkgeneration möglich ist“, sagt Heydari stolz. Daher würden sie ihre Entwicklung auch „Beyond 5G“-Chip nennen.

„Beyond 5G“: RF-to-Bits-Empfängerarchitektur macht hochauflösende Datenwandler obsolet

Die zugrunde liegenden Ideen haben die Autoren in einem Beitrag im „IEEE Journal of Solid-State Circuits“ erläutert. Dieses Paper stellt die Theorie, das Design und die Implementierung eines 8PSK-Direkt-Demodulations-Empfängers vor, der auf einem neuartigen, mehrphasigen HF-Korrelationskonzept basiert. Die RF-to-Bits-Empfängerarchitektur liefert an ihrem Ausgang demodulierte Bits, wodurch leistungshungrige, extrem schnelle Datenwandler mit hoher Auflösung überflüssig werden.

Nach eigenen Angaben wurde bereits ein Prototyp eines einkanaligen 115-135-GHz-Empfängers in einem 55-nm-SiGe BiCMOS-Prozess hergestellt. Messungen hätten diesem Chip einen Gewinn von maximal 32 dB und eine minimale Rauschzahl (Noise Figure, NF) von 10,3 dB attestiert. In 30 cm Entfernung konnten die Entwickler eine drahtlos übertragene Datenrate von 36 GBit/s messen. Bei der Übertragung wurde das empfangene 8PSK-Signal direkt auf dem Chip mit einer Bitfehlerrate (BER) von 1e-6 demoduliert. Die gemessene Empfängerempfindlichkeit bei dieser BER betrug -41,28 dBm. Der Prototyp belegt 2,5 x 3,5 mm² Substratfläche einschließlich PADs und Testschaltungen. Die reine aktive Fläche misst lediglich 2,5 mm². Bei den Tests verbrauchte der Chip eine Gesamtleistung von 200,25 mW.

„Eine Technologie mit dem Potenzial, die Telekommunikationsbranche zu verändern“

Schon lange würden Forscher und Entwickler untersuchen, ob drahtlose Systeme in der Lage sind, die hohen Geschwindigkeiten von Glasfasernetzwerken zu erreichen. „Eine solche Technologie hätte das das Potenzial, die gesamte Telekommunikationsbranche zu verändern“, ist Heydari überzeugt. Schließlich brächte eine drahtlose Infrastruktur viele Vorteile gegenüber verkabelten Systemen mit sich.

Den jetzt vorgestellten Transceiver sieht er als eine erste Antwort auf diese Frage. Er überspringe die für den 5G-Standard vorgesehenen Frequenzen von 28 bis 38 GHz und ziele bereits auf den Nachfolger 6G, der voraussichtlich Frequenzen ab 100 Gigahertz nutzen werde. „Die Federal Communications Commission hat kürzlich neue Frequenzbänder über 100 Gigahertz geöffnet“, sagt Mohammadnezhad, der maßgeblich an der Entwicklung beteiligt war und der in diesem Jahr in Elektrotechnik und Informatik promovierte. „Unser neuer Transceiver ist der erste, der bei derart hohen Frequenzen Ende-zu-Ende-Funktionen bietet.“

Transmitter und Receiver, die eine solche hochfrequente Datenkommunikation bewältigen können, sind nach seiner Ansicht Voraussetzung für eine neue „Drahtlos-Ära“, die vom Internet der Dinge (IoT), autonomen Fahrzeugen und stark erweiterten Breitbanddiensten für das Streaming von hochauflösenden Videoinhalten und mehr dominiert werde.

„Elektronen lassen sich nicht in zwei Hälften teilen“

Laut Heydari wurden und werden Verschiebungen von Signalfrequenzen durch Modulation und Demodulation in Transceivern bislang meist digital berechnet. Mittlerweile würden Ingenieure für integrierte Schaltungen jedoch immer mehr an die physikalischen Grenzen dieser Methode stoßen.

„Das Gesetz von Moore besagt, dass wir die Geschwindigkeit von Transistoren, wie sie in Sendern und Empfängern zu finden sind, erhöhen können, indem wir ihre Größe verringern“, sagt er, „aber das ist nicht mehr der Fall!“ Man könne Elektronen schließlich nicht in zwei Hälften teilen. „Also haben wir uns den Grenzen genähert, die die Physik für Halbleitertechnologien festlegt.“

„Digitale Bits analog im Hochfrequenzbereich modulieren“

Die neue Chip-Architektur soll das Problem umgehen, indem sie „die Anforderungen an die digitale Verarbeitung durch eine Modulation der digitalen Bits im Analog- und Hochfrequenzbereich senkt“. Laut Heydari bringe diese neue Architektur die drei Faktoren zusammen, die den Weg für eine breite Akzeptanz im Markt ebnen: hohe Übertragungsgeschwindigkeit, geringerer Stromverbrauch und reduzierte Gesamtkosten gegenüber bisherigen Systemen.

„In Kombination mit Phased-Array-Systemen, die mehrere Antennen zum Steuern von Strahlungskeulen verwenden, ermöglicht unsere Technologie eine Reihe von disruptiven Anwendungen in der drahtlosen Datenübertragung und -kommunikation“, ist Wang überzeugt. Zum Beispiel würde sie kilometerlange Glasfaserkabel in Rechenzentren überflüssig machen, so dass „Betreiber von Datenfarmen ultraschnelle drahtlose Übertragungen durchführen und erhebliche Kosten für Hardware, Kühlung und Strom sparen können“, sagt der Doktorand.

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