Beitrag zur Entwicklung neuer drahtloser Dienste auf Basis von IOWN und 6G
Mit dem Ziel, die drahtlose Übertragung der Terabit-Klasse zu implementieren und somit den Bedarf an drahtlosen Verbindungen in den 2030er Jahren zu decken, hat die NTT Corporation (NTT) erfolgreich die weltweit erste Orbitaldrehimpuls-Multiplexing-Übertragung mit hoher Kapazität mit 1,44 Tbit/s unter Verwendung einer ultrabreiten Bandbreite von 32 GHz realisiert. Als innovative, drahtlose Kommunikationstechnologie, die das Sub-Terahertz-Band (Sub-THz) nutzt, soll diese Errungenschaft den drahtlosen Zugang zu riesigen Informationsmengen mit einer Datenübertragungsrate von über 1 Tbit/s ermöglichen. Diese im Sub-THz-Band im Bereich von 135 GHz bis 170 GHz erzielte Leistung basiert auf einer innovativen, drahtlosen Kommunikationstechnologie, die drahtlosen Zugang zu einer riesigen Datenmenge mit über 1 Tbit/s bietet. Als Schlüsselelement des "Innovative Optical and Wireless Network" (IOWN), das wir mit unseren globalen Partnern realisieren wollen, stellt diese Technologie eine Erweiterung des auf Licht basierenden Hochleistungs-Kommunikationsnetzes und der Informationsverarbeitungsinfrastruktur auf drahtlose Netze einschließlich 6G dar.
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Figure 1: Image of OAM-multiplexing transmission technology and trends in high-capacity wireless transmission (Graphic: Business Wire)
NTT betreibt Forschung und Entwicklung mit dem Ziel, eine drahtlose Übertragung der Terabit-Klasse zu erreichen. Auf diese Weise soll die hochleistungsfähige Netz- und Datenverarbeitungs-Infrastruktur von IOWN und 6G unterstützt und die Grundlage zur Deckung der wachsenden Nachfrage nach drahtloser Kommunikation vorbereitet werden. Um die Kapazität der drahtlosen Kommunikation zu verbessern, erhöht NTT die räumliche Multiplexreihenfolge. Dazu nutzt NTT ein neues Prinzip, das die drahtlose Übertragungskapazität mittels Funkwellen mit "orbitalem Drehimpuls" (Figure 1) steigert und das Sub-Terahertz-Band (Sub-THz) verwendet, um die Übertragungsbandbreite zu erhöhen.
Der von NTT verfolgte Ansatz sieht die Nutzung einer analogen Schaltung der so genannten "Butler-Matrix" vor, um die räumliche Multiplexing-Ordnung durch Multiplexing mehrerer OAM-Wellen zu erhöhen. Dieser Ansatz reduziert die enorm aufwändige, digitale Signalverarbeitung, die erforderlich ist, um Interferenzen zwischen Multiplex-Datenströmen in Hochkapazitätskommunikationen von mehr als einem Terabit zu beseitigen.
Im Rahmen dieser Initiative hat NTT die Forschung und Entwicklung der Sub-THz-Band-Wellenleitertechnologie vorangetrieben und erfolgreich eine in die Antenne integrierte Butler-Matrix entwickelt, die mit einer großen Bandbreite und geringen Verlusten arbeitet. Die in die Antenne integrierte Butler-Matrix ist so ausgelegt, dass sie gleichzeitig acht verschiedene OAM-Wellen über eine sehr große Bandbreite, d. h. 135 bis 170 GHz, erzeugen und trennen kann, die sich für das Multiplexing und die Übertragung von acht Datensignalen eignen. Durch OAM-Multiplexing-Übertragung mit zwei verschiedenen Polarisationen ist es außerdem möglich, doppelt so viele Datensignale gleichzeitig zu übertragen, ohne dass diese sich gegenseitig stören. Wir haben Übertragungstests mit der in die Antenne integrierten Butler-Matrix durchgeführt und dabei die weltweit erste erfolgreiche, drahtlose Übertragung mit hoher Kapazität von insgesamt 1,44 Tbit/s in den Sub-THz-Bändern von 135,5 bis 151,5 GHz und 152,5 bis 168,5 GHz erzielt (Figure 2). Diese Übertragungskapazität entspricht der Geschwindigkeit der gleichzeitigen Übertragung von etwa 35.000 ultrahochauflösenden 4K-Videos (mit etwa 40 Mbit/s), die auf aktuellen Video-Websites verfügbar sind. Eine solche Geschwindigkeit ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von 140 oder mehr unkomprimierten 4K-Videos (mit etwa 10 Gbit/s) für Anwendungen, die eine extrem niedrige Latenzzeit erfordern.
Diese Technologie soll (i) eine drahtlose Breitband- und Hochgeschwindigkeitsübertragung ermöglichen, die mit optischen Übertragungssystemen vergleichbar ist, und (ii) eine nahtlose Verbindung zwischen drahtlosen und optischen Übertragungssystemen bieten, ohne dass ein komplexes digitales Signalverarbeitungssystem für das räumliche Multiplexing erforderlich ist, da die analoge Schaltung (d. h. die Butler-Matrix) das Multiplexing der OAM-Wellen übernimmt. Der nächste Schritt im Zuge dieser Entwicklung ist die Durchführung von Demonstrationen über größere Entfernungen (mehr als 100 m). Gleichzeitig werden verschiedene Anwendungen dieser Technologie in der realen Welt anvisiert, darunter drahtloser Backhaul/Fronthaul zwischen Basisstationen und Relaisübertragung (Figure 3). Wir gehen davon aus, dass die Weiterentwicklung dieser Technologie letztendlich die Schaffung und Verbreitung verschiedener künftiger Dienste wie VR/AR (Virtual Reality/Augmented Reality), hochauflösende Videoübertragung, vernetzte Autos und Telemedizin als innovative drahtlose Kommunikationstechnologie im Zeitalter von IOWN und 6G unterstützen wird.
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