FOR 2863: Metrologie für die THz Kommunikation (Meteracom)

Für den Fortschritt von Kommunikationssystemen im THz Bereich ist es von entscheidender Bedeutung, genaue Messungen durchführen zu können. Die Messtechnik bei THz-Frequenzen befindet sich allerdings noch in einem frühen Stadium und umfasst, Stand heute, nur die Detektorkalibrierung, ultraschnelle Messgeräte und die Messunsicherheitsanalyse verschiedener THz-Spektrometer. In der DFG-Forschungsgruppe METERACOM (Metrologie für die THz Kommunikation (FOR 2863)) erforscht ein Konsortium aus Universitäten, der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und dem National Physics Laboratory of Great Britain (NPL) systematisch die wichtigsten Herausforderungen der THz-Metrologie. Ziel ist es, Messmethoden zu etablieren, die auf das internationale Einheitensystem (SI) zurückzuführen sind, THz-Messgeräte zu entwickeln und zu evaluieren, sowie THz-Systemmessungen durchzuführen.

Im Rahmen des METERACOM-Projekts bringt die Fachgruppe Schaltungstechnik ihre Expertise auf dem Gebiet der optoelektronischen Frequenzsynthesizer mit ultraniedrigem Jitter ein. Mit Hilfe dieser Synthesizer ist es möglich die maximale Datenrate in THz-Übertragungssystemen, die derzeit unter anderem durch das Rauschen des Lokaloszillators im Transceiver begrenzt ist, zu erhöhen. Darüber hinaus entwickelt die Fachgruppe Schaltungstechnik ultrabreitbandige optisch geschaltete Sampler, sowie eine neue Generation von optischen Nyquistpuls-Sampler-Chips in einer fortschrittlichen Silizium-Photonik-Technologie.

Veröffentlichungen:

[1]Meysam Bahmanian and Saeed Fard and Bastian Koppelmann and J. Christoph Scheytt, Ultra Low Phase Noise and Ultra Wide-Band Frequency Synthesizer Using an Optical Clock Source, 2020 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, 2020

[2] J. Christoph Scheytt and Dominik Wrana and Dominik Wrana and Ingmar Kallfass, Ultra-Low Phase Noise Frequency Synthesis for THz Communications Using Optoelectronic PLLs, Second International Workshop on Mobile Terahertz Systems (IWMTS), 2020

Seit der Einreichung des Antrags für die erste Phase Ende 2018 hat die THz Kommunikation eine erhebliche Beachtung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft erfahren und wird als eine Schlüsseltechnologie betrachtet mit der die Anforderungen infolge des exponentiellen Datenwachstums erfüllt werden können. Die THz Kommunikation wird als ein Kandidat für die Luftschnittstelle der 6. Generation des Mobilfunks angesehen. Die mit drahtlosen Kommunikationssystemen realisierten Datenübertragungsraten verdoppeln sich alle 18 Monate. Bereits heute kann man voraussehen, dass Datenraten von 100 Gbit/s bei speziellen Anwendungen und Systemen wie Backhaul/Fronthaul per Funk, Kiosk-Downloading, Nahbereichskommunikation, drahtlosen Verbindungen in Rechenzentren sowie der Chip-zu-Chip-Kommunikation mittelfristig benötigt werden. Selbst mit sehr weit entwickelten Übertragungsverfahren, können solche Übertagungsraten nur realisiert werden, wenn sehr große Bandbreiten in der Größenordnung von mehreren 10 GHz zur Verfügung stehen. Solche Bandbreiten sind nur im THz-Frequenzbereich (oberhalb 300 GHz) verfügbar. Die Übertragung über Trägerfrequenzen im THz-Bereich bringt weitere Herausforderungen mit sich. Besonders zu erwähnen ist hier, dass der Pfadverlust im Vergleich zum Pfadverlust bei den sonst genutzten Frequenzbereichen sehr vieler höher ist. Das führt dazu, dass ein THz-Kommunikationssystem nicht einfach als eine skalierte Version der Systeme bei niedrigeren Frequenzen entwickelt und charakterisiert werden kann. Beispielsweise sind Hochgewinnantennen unverzichtbar, um den hohen Pfadverlust auszugleichen. Jedoch bedingt ein hoher Gewinn eine hohe Richtwirkung, so dass in mobilen Szenarien adaptive Strahlformung zum Einsatz kommen muss. Da sich Sender und Empfänger sich für einen Verbindungsaufbau auch unter solchen Bedingungen zunächst finden müssen, hat dies einen großen Einfluss auf das Verfahren zur gegenseitigen Entdeckung der Endgeräte („Device Discovery“). Die hohen Datenraten bringen neue Herausforderungen für die Abtastung und für Analog-Digital-Konvertierung. Das hat zur Folge, dass die Funkkanaleigenschaften und das Systemdesign (Modulation, Symbolstruktur, Abtastung bei ultra-hohen Datenraten, Design der Hochfrequenzkomponenten, Netzaspekte) sich gegenseitig stark beeinflussen und nicht mehr getrennt betrachtet werden können. Dies zeigt beispielhaft die Notwendigkeit eines Paradigmenwechsels, bei dem sich Messverfahren dahingehend entwickeln, dass die Leistungsfähigkeit von THz-Kommunikationssystemen in realen Umgebungen vorhergesagt werden muss. Die Fähigkeit Messungen durchzuführen sowie die Entwicklung von metrologischen Konzepten um diese Messungen definiert durchführen zu können, sind kritisch im Hinblick auf die Weiterentwicklung von THz-Kommunikationssystemen. Obwohl wir in Phase I des Projekts signifikante Ergebnisse erzielt haben, haben wir zahlreiche Forschungsfragestellungen für die Phase II identifiziert.

DFG-Verfahren Forschungsgruppen

Internationaler Bezug Frankreich, Großbritannien, USA

Projekte

A1: Genauigkeit von Messsystemen für die THz-Kommunikation (Antragsteller Kleine-Ostmann, Thomas; Schneider, Thomas; Thomä, Reiner)

A2: Metrologie für das mehrdimensionale Channel-Sounding (Antragsteller del Galdo, Giovanni; Kleine-Ostmann, Thomas; Kürner, Thomas; Thomä, Reiner)

A3: Metrologie von Abtastsystemen mit hoher Bandbreite (Antragsteller Schneider, Thomas)

Aktive THz Transceiver Komponenten (Antragsteller Kallfass, Ingmar; Scheytt, Christoph; Schneider, Thomas)

B1: Charakterisierung von Ausbreitungskanälen (Antragsteller del Galdo, Giovanni; Koch, Martin; Kürner, Thomas)

B2 - Rückführbare Terahertz Transceiver (Antragsteller Kallfass, Ingmar; Scheytt, Christoph; Schneider, Thomas)

C1 Device Discovery und Strahlverfolgung (Antragsteller Berekovic, Mladen; Kürner, Thomas)

C2: In-Feld-Messtechnik für vernetzte THz-Systeme (Antragstellerinnen / Antragsteller Berekovic, Mladen; Jukan, Admela; Kürner, Thomas)

C3 Skalierbares THz Transceiver Impairment Modell (Antragsteller Kallfass, Ingmar; Scheytt, Christoph; Schneider, Thomas)

Koordinationsfonds (Antragsteller Kürner, Thomas)

T: Rückführung - Parametrische Maße und metrologische Rückführung für die Funktionalität von Kommunikationssystemen (Antragsteller Kleine-Ostmann, Thomas)

Ultrabreitbandige Abtastung (Antragsteller Scheytt, Christoph; Schneider, Thomas)

Sprecher Professor Dr.-Ing. Thomas Kürner