Technikforum

20 Apr Neue Techno­logie für energie­effizienten Edge-Cloud-Mobil­funk

Moderne Informations- und Kommunikationstechnik wie der neue Mobilfunkstandard 5G hat einen bedeutenden gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Stellenwert. Sie verbessert nicht nur bestehende Leistungsparameter, wie eine erweiterte mobile Breitbandverbindung, sondern kann auch den Weg für zukunftsträchtige Anwendungen ebnen, wie das Internet der Dinge, autonome Mobilität oder Industrie-Automation. Ressourcenschonende Technologie hat deshalb in diesem Bereich einen besonders großen Einfluss auf den CO₂-Fußabdruck.

Das Projekt ‚EdgeLimit-Green ICT‘ ist nun nach erfolgreichem Vorprojekt gestartet. Ziel ist die Entwicklung energiesparsamer Mobilfunkbasisstationen. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und das Fraunhofer-Institute für Integrierte Schaltungen IIS wollen mit der Universität Freiburg und Industriepartnern bis 2025 auf der Grundlage AlScN-basierter Komponenten und bedarfsgerechter Steuerung ein energieeffizientes Edge-Cloud-Mobilfunksystem entwickeln und unter Praxisbedingungen testen.

Prof. Rüdiger Quay, Projektkoordinator und geschäftsführender Institutsleiter des Fraunhofer IAF erläutert: „Die neuartigen Leistungshalbleiterkomponenten, die das Fraunhofer IAF entwickelt, versprechen im Zusammenspiel mit der vom Fraunhofer IIS konzipierten intelligenten, KI-unterstützten Vernetzung und Steuerung des Antennensystems eine Halbierung der Energieverluste bei der Übertragung im Millimeterwellenbereich von 5G.“ Die Industriepartner im Projektverbund unterstützen das Vorhaben durch Kooperationen bei der Entwicklung neuartiger Hochfrequenz-Transistoren (Nokia), der Schaltkreis-Prozessierung (United Monolithic Semiconductors, UMS) sowie der praxisorientierten Bewertung und Übertragung von Testergebnissen (Deutsche Telekom).

Einsparungen dank Halbleiter und intelligenter Vernetzung

Das hohe Energiesparpotenzial des zu entwickelnden Antennensystems fußt zum einen auf den überlegenen Materialeigenschaften des Leistungshalbleiters Aluminiumscandiumnitrid (AlScN), der am Fraunhofer IAF mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestellt und in Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit verbaut werden soll. Das Material erlaubt durch seine hohe Stromtragfähigkeit gegenüber etablierten Halbleitern wie Silizium, Galliumarsenid oder Galliumnitrid potenziell eine deutlich höhere Leistungsdichte und Verstärkung.

Zum andern resultiert das Einsparpotenzial aus einem effizienten Aufbau der Elektronik, wie Thomas von der Grün, Abteilungsleiter Präzise Lokalisierung und Analytics am Fraunhofer IIS, darstellt: „Um eine intelligente Vernetzung und bedarfsgerechte Steuerung der Sende- und Empfängermodule mit Unterstützung von Künstlicher Intelligenz (KI) möglich zu machen, entwickeln wir am Fraunhofer IIS eine innovative Elektronikarchitektur, die eine teilweise Verlagerung der Verarbeitungskapazitäten von der zentralen Infrastruktur (Cloud) an den Rand des Netzwerks (Edge) und die Implementierung von Datenverarbeitungssystemen vorsieht.“

Insgesamt sollen die Energieverluste des zu realisierenden Antennensystems durch die Kombination energieeffizienter Bauelemente und optimierter Organisation um mindestens 50 % sinken, indem die Leistungseffizienz auf Verstärkerebene bei neuen Frequenzen zwischen 26 und 34 GHz verdoppelt, der Verlust in Leistungswandlern halbiert und eine bedarfsgerechte Steuerung des Systems implementiert wird.

Das BMBF fördert das Projekt im Rahmen der Initiative Green ICT.

Weitere Informationen zu EdgeLimit-Green ICT