RIS-Technologie: Ein Game-Changer für die Überwindung von 6G-Herausforderungen

Die 6. Generation (6G) ist der nächste Schritt für die Entwicklung zukünftiger Mobilfunkstandards. Durch die Erschließung von Hochfrequenzbändern wie dem D-Band (110 – 170 GHz) soll eine noch schnellere Datenübertragung ermöglicht werden.

Doch die Nutzung des SubTHz-Bereiches konfrontiert Forschende mit Problemen wie einer steigenden Freiraumdämpfung und signalblockierenden Strukturen. Um diese zu überwinden, arbeiten Forscher*innen an neuen Technologien – unter anderem an RIS (»Reconfigurable Intelligent Surfaces«).

Robert Stöcker, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IZM, und sein Team haben einen statischen RIS-Prototypen entwickelt. Aufbauend auf bereits bekannten Antennenstrukturen wie Reflectarray-Antennen untersuchen sie damit den Einsatz von RIS für 6G, die zukünftige Implementierung von schaltbaren Elementen sowie den Ausbau von Messtechnik für Hochfrequenzelemente.

RIS-Technologie: Der Schlüssel zur Überwindung von 6G-Herausforderungen

Seit der Einführung der Mobilkommunikation wird kontinuierlich an ihrer Weiterentwicklung gearbeitet. Über 40 Jahre sind seit der 1. Generation (1G) bis zur aktuellen 5. Generation (5G) vergangen. Während sich 1G und 2G auf Sprachkommunikation konzentrierten, wurden mit der Einführung des dritten Mobilfunkstandards (3G) Datendienste und mobiler Internetzugang hinzugefügt. 4G wurde für die private Nutzung weiter optimiert. 5G ist für Anwendungen mit noch höheren Datengeschwindigkeiten wie beispielsweise auf die Maschine-Maschine-Kommunikation und das Internet der Dinge (IoT) ausgelegt.

6G konzentriert sich vor allem auf immersive Applikationen (eXtreme Reality (XR)) und digitale Zwillinge für das industrielle Internet der Dinge (IIoT). Aber auch neue Anwendungsfelder im Bereich der Telemedizin und -chirurgie, Smart City, der Ausbau von Künstlicher Intelligenz (KI) und der Virtuellen Realität (VR) sind denkbar.

Überblick zur Entwicklung der Mobilfunkkommunikation von 1G bis 6G | © Fraunhofer IZM basierend auf »On the Road to 6G: Drivers, Challengers and Enabling Technologies« Fraunhofer Gesellschaft

Ein wichtiger Fortschritt in der Weiterentwicklung der Mobilfunkstandards ist der Einsatz größerer Frequenzbereiche, die eine noch schnellere Datenübertragung und geringere Latenz ermöglichen. 4G operiert im Sub-6-GHz-Bereich mit Geschwindigkeiten von bis zu 1.000 Megabit/Sekunde und einer Latenz von 5 Millisekunden. 5G hingegen operiert im Millimeter-Wellenbereich mit Geschwindigkeiten von bis zu 20 Gigabit/Sekunde und einer Latenz von 1 Millisekunde. Für 6G wird eine Geschwindigkeit von einem Terabit/Sekunde und einer Latenz von ca. 100 Mikrosekunden erwartet.

Um den nächsten Schritt zu 6G und darüber hinaus zu ermöglichen, muss ein zentrales Problem überwunden werden: Der von 6G verwendete Funkbereich ist sowohl in städtischen als auch in ländlichen Umgebungen beeinträchtigt. Im städtischen Raum kann die Radiowelle von Hindernissen z.B. Hochhäusern zerstreut werden, während sie auf dem Land aufgrund ihrer kurzen Reichweite eingeschränkt ist. Denn die Radiowellen verlieren in der Luft schnell ihre Energie und können nur wenige Meter zurücklegen. Um 6G effektiv zu implementieren, bedarf es daher entweder eines massiven Ausbaus von Basisstationen aufgrund von kleiner werdenden Mobilfunkzellen und der zunehmenden Notwendigkeit von mehr Technik. Oder einer Technologie, die die bereits bestehende Infrastruktur der Kommunikationsnetze ergänzt und flexibel einsetzbar ist.

Die Forschung arbeitet an Technologien, um diese Schwachstellen zu kompensieren. Eine dieser möglichen Technologien ist RIS. Die Abkürzung RIS steht für »Reconfigurable Intelligent Surfaces« (rekonfigurierbare intelligente Oberflächen). Manchmal wird auch die Bezeichnung »Intelligent Reflecting Surfaces« (IRS) oder »Large Intelligent Surfaces« (LIS) verwendet.

Intelligente Oberflächen: Wie RIS die drahtlose Kommunikation verändern können

RIS sind eine Anordnung von reflektierenden Elementen zur Rekonfiguration eines einfallenden Signals. Zusätzlich sind sie in der Lage, die drahtlose Kommunikationsumgebung proaktiv zu verändern, indem sie die starke Freiraumdämpfung abschwächen. RIS können elektromagnetische Wellen manipulieren indem die Oberfläche von RIS angesteuert wird und so der Ausfallswinkel der Strahlen individuell angepasst werden kann. Diese Steuerung – sprich die Rekonfigurierbarkeit – wird von der Hardware umgesetzt.

Mithilfe eines RIS können Funksignale von der Basisstation unabhängig vom Standort weitergeleitet werden, denn ihre Schaltbarkeit eröffnet eine neue Variabilität. | © Fraunhofer IZM basierend auf »On the Road to 6G: Drivers, Challengers and Enabling Technologies« Fraunhofer Gesellschaft

RISs bestehen aus Hunderten oder Tausenden von Elementen, die als Klein- oder Einzelzellen bezeichnet werden. In den Zellen befinden sich metallische und dielektrische Schichten zusammen mit einem oder mehreren Schaltern oder anderen abstimmbaren Komponenten. Durch die Steuerung der Vorspannung kann jede einzelne Zelle ein- oder ausgeschaltet oder gesteuert werden. Dies macht es möglich die Phase und andere Eigenschaften einer einfallenden Welle zu verändern.

Diese Bauteile lassen sich leicht auf verschiedenen Strukturen wie Hausfassaden, Innenraum- und Plakatwänden, Autofenstern und sogar Kleidung anbringen. Zudem sind sie energieeffizienter als AF (amplify-and-foward) und DF (decode-and-forward) Systeme, da bei RIS das eingehende Signal durch Steuerung der Phasenverschiebung jedes reflektierenden Elements geformt wird, anstatt einen Leistungsverstärker zu verwenden.

Von Prototypen zu Zukunftstechnologien: Herausforderungen und Potenziale von RIS in der 6G-Kommunikation

Das Potenzial von RIS ist für die 6G-Forschung von großem Interesse. Die Entwicklung von RIS-Technologien befindet sich noch am Anfang. Um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen, stützen sich die Wissenschaftler*innen auf vorhandene Forschungsarbeiten. Ein vielversprechender Ansatzpunkt sind Reflectarray-Antennen. Diese Technologie ist bekannt und bietet aufgrund der ähnlichen Ausgangseigenschaften einen soliden Forschungsausgangspunkt für die Entwicklung von RIS.

Ein Reflectarray besteht aus einem Speiseelement und einer ebenen Fläche mit der die Phase des reflektierten Feldes kontrolliert und über die Fläche variiert werden kann. Auf diese Weise kann ein fokussiertes reflektiertes Feld von einer ebenen Fläche erhalten werden.

Robert Stöckers Forschung konzentriert sich im Rahmen des 6G-RIC-Projektes auf die Entwicklung von RIS für 6G-Kommunikationsnetzte bei 150 GHz. Am Fraunhofer IZM wird ein Prototyp entwickelt, der den Nachweis erbringen soll, dass eine Skalierung auf bis zu 150 GHz mithilfe von PCB-Technologien möglich ist. Die Oberfläche der Reflectarray-Antenne besteht aus insgesamt ca. 52.000 Patches und hat eine Fläche von ca. 13 x 13 Zentimetern. Bei einem Einfallswinkel von 60° erreicht das Array einen Ausfallswinkel von 0°.

»Der Prototyp ist unsere Machbarkeitsstudie und zeigt, dass es möglich ist, RIS-Technologie einzusetzen und zu skalieren. Er dient außerdem dafür, die Messtechnik für Hochfrequenzbauteile mit Messungen im Funkkanal weiter auszubauen. Dies ist insofern von Bedeutung, da die für die Industrie interessanten RIS-Technologien derzeit noch nicht charakterisierbar sind«, erklärt Robert Stöcker. »Am Fraunhofer IZM verfügen wir über eine spezielle Messkammer, in der wir Strahlungsfelder im Nah- und Fernfeld bis zu 300 GHz in Form einer Kugel (Abstrahlung) messen und testen können. Wir haben den statischen RIS-Prototypen, den wir im Projekt 6G-RIC entwickelt haben, in der Messekammer getestet und modifiziert. Als Nächstes planen wir einen intelligenten RIS-Prototypen zu realisieren. Dieser Prototyp soll in der Lage sein, dass wir die Oberflächen schalten können.«

Links: In der Messkammer des Fraunhofer IZM können Messungen bis zu 300 GHz durchgeführt werden. | © Fraunhofer IZM
Rechts: Querschnittsskizze des RIS-Prototypen. | © Fraunhofer IZM

Die Schaltbarkeit der Oberfläche ist ein Aspekt, der Reflectarrays von RIS unterscheidet. Reflectarray-Antennen sind zur Antenne in einem festen, geometrischen Verhältnis positioniert. Sie verstärken oder leiten das Signal durch ihre spezifische Positionierung und die Winkel des Signal-Ein- und Ausfalls weiter. Im Gegensatz dazu können RIS unabhängig zur Antenne angebracht werden. Das ist der größte Vorteil dieser Technologie. RIS werden in der Lage sein, Signale, die aus einer beliebigen Richtung kommen, für die entsprechende Anwendung beliebig zu formen und diese weiterzuleiten.

In Kooperation mit dem Fraunhofer ILS und weiteren Partnern wird in dem Forschungsprojekt 6G-SENTINEL an einen flüssigkristallbasierten, statischen Reflektor-Prototypen im Bereich Lokalisierung für 6G gearbeitet. Die Integration dieser Flüssigkristalle überwindet Probleme, vor denen diodenbasierte Reflektoren stehen. Da die Interkonnektoren (Lötstellen) der Dioden bei ca. 50 GHz die ersten parasitären Eigenschaften zeigen, ist die Flüssigkristalltechnologie für höhere Wellenbereiche – und damit für 6G – eine wichtige Schlüsseltechnologie. Sie sind außerdem variabler einsetzbar und erleichtern so die Modulplanung für die Reflectarray-Antennen.

Von der Theorie zur Praxis: Von statischen Prototypen zu schaltbaren Modulen

Allerdings gehen RIS neben ihrem großen Potenzial auch mit Herausforderungen einher. Die Forschenden des Fraunhofer IZM sehen besonders im Bereich der Modulationen von Signalen die mit RIS interagieren Schwierigkeiten für die Einbindung in das bestehende Kommunikationsnetzwerk. Aber auch die Zuständigkeit der Umsetzung und Schaltung, das heißt, wer am Ende die RIS überwacht und kontrolliert, sind wichtige Fragestellungen, die zukünftig noch genauer definiert werden müssen.

Bis 6G implementiert ist, werden noch einige Jahre vergehen. Mit dem aktuellen Forschungsstand sind die Forschenden auf einem guten Weg. »Wir entwickeln den Prototypen für das Projekt 6G-RIC weiter, mit dem Ziel, ihn zukünftig rekonfigurieren zu können. Außerdem werden wir den Prototypen innerhalb der Kommunikationsnetze testen, um zu sehen, wie sich die Modulationsänderungen tatsächlich verhalten. In einem weiteren Schritt werden wir dann ein schaltbares Modul realisieren«, fasst Stöcker die nächsten Meilensteine zusammen.

Der 6G Research and Innovation Cluster (6G-RIC) ist ein Forschungszentrum, das die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen für die nächste Generation der Mobilkommunikation (6G) auf allen Technologieebenen schaffen soll, vom Funkzugang über Kernnetze bis hin zu Glasfasertransportnetzen.

6G-RIC ist eine interdisziplinäre und koordinierte Zusammenarbeit von insgesamt 32 Forschungsgruppen aus 20 Universitäten und Forschungseinrichtungen, die von über 60 assoziierten Partnern aus Wissenschaft, Industrie und dem öffentlichen Sektor unterstützt werden.

Das Zentrum wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms „Souverän. Digital. Vernetzt.“ gefördert. Das Fraunhofer IZM arbeitet an der Beeinflussung von hochfrequenten Wellen für die 6. Mobilfunkgeneration, speziell an der Wechselwirkung sowohl im Package als auch im Funkkanal. Das Ziel ist die Entwicklung von speziell designeten Metaoberflächen um die Wellenausbreitung zu kontrollieren.

Laufzeit: August 2021 – Juli 2025

Projektwebseite: https://6g-ric.de/

Im Projekt 6G SENTINEL entwickeln die fünf beteiligten Fraunhofer-Institute Schlüsseltechnologien für den kommenden 6G-Mobilfunkstandard. Sie arbeiten damit an der weiteren Verbesserung von Datenraten, Verfügbarkeit, Genauigkeit, Servicequalität und Zuverlässigkeit des Mobilfunks. Dabei stehen neben der konsequenten Weiterentwicklung bestehender 5G-Technologien auch völlig neue Ansätze im Fokus. Vorderste Ziele sind die Erschließung von Terahertz-Frequenzen und die Technologieentwicklung für flexiblere Netze.

Fraunhofer-Leitprojekt
Laufzeit: Januar 2021 – Dezember 2023
Beteiligte Fraunhofer-Institute: Fraunhofer IIS (Koordinator); Fraunhofer HHI; Fraunhofer FOKUS; Fraunhofer IAF; Fraunhofer IZM