Terahertz-Kommunikation: Die Grundlage der 7G-Netze

Während des größten Teils der Geschichte der drahtlosen Kommunikation war das Terahertz-Band (THz) — die Frequenzen zwischen 100 GHz und 10 THz — eher eine Kuriosität als eine Ressource. Zu hoch für konventionelle Elektronik zur effizienten Erzeugung, zu niedrig für optische Techniken, wurde es als „Terahertz-Lücke“ bezeichnet. Satelliten nutzten Mikrowellen. Glasfaser nutzte Licht. Das THz-Band, dazwischen gelegen, blieb weitgehend ungenutzt.

Das ändert sich. Fortschritte in der Halbleiterphysik, Photonik und im Antennendesign haben die praktische Signalerzeugung im THz-Bereich ermöglicht. Und da jedes niedrigere Frequenzband gesättigt ist, zieht die enorme Spektrumressource des THz-Bandes ernsthaftes ingenieurmäßiges Interesse auf sich. Diese Analyse wird vom Forschungsteam von 7G Network erstellt, das die Entwicklung drahtloser Technologien über Standards, Spektrumpolitik und industrielle Entwicklungen hinweg verfolgt. Für drahtlose 7G-Netze — deren Standardisierung voraussichtlich Mitte der 2030er Jahre beginnt — ist THz-Kommunikation keine Option. Sie ist der Hauptmechanismus zur Erreichung der 10+-Tbps-Spitzendatenraten, die diese Generation erfordert.

Was ist das Terahertz-Band?

Das elektromagnetische Spektrum ist nach Frequenz in Bereiche unterteilt. Radiowellen reichen von wenigen Kilohertz bis etwa 300 GHz. Infrarotlicht beginnt oberhalb von 300 GHz (oder äquivalent unterhalb von 1 mm Wellenlänge). Das „Terahertz-Band“ bezeichnet konventionell Frequenzen von etwa 100 GHz (0,1 THz) bis 10 THz — ein 100-facher Frequenzbereich, der den Übergang von Mikrowellen zur Optik abdeckt.

Die Schlüsseleigenschaft, die THz für Kommunikation attraktiv macht, ist die Bandbreite. Das Shannon-Theorem sagt uns, dass die maximale Datenrate jedes Kanals proportional zu seiner Bandbreite ist. Ein Kanal bei 300 GHz kann potenziell eine Bandbreite von 50 bis 100 GHz haben — gegenüber Kanalbandbreiten von 400 bis 800 MHz bei 5G mmWave. Mehr Bandbreite bedeutet bei sonst gleichen Bedingungen mehr Bits pro Sekunde.

Die Schlüsseleigenschaft, die THz schwierig macht, ist die Ausbreitung. Hochfrequente Signale verlieren Energie beim Durchqueren der Luft und können die meisten Materialien nicht durchdringen. Bei 300 GHz ist der Freiraumausbreitungsverlust etwa 30 dB höher als bei 28 GHz mmWave, das bereits deutlich schlechter als Sub-6 GHz ist. Ein THz-Signal wird innerhalb von Dutzenden bis Hunderten von Metern im Freiraum auf Rauschniveau gedämpft und innerhalb weniger Zentimeter oder weniger, wenn es auf eine Wand trifft.

Das Terahertz-Band deckt 0,1–10 THz ab und bietet Kanalbandbreiten von 50 bis 100 GHz — etwa 100-mal breiter als 5G mmWave — leidet aber unter etwa 82 dB Freiraumausbreitungsverlust auf nur 10 Metern bei 300 GHz.

Die Physik der THz-Ausbreitung

Zwei Mechanismen dominieren den THz-Signalverlust:

Freiraumausbreitungsverlust

Alle elektromagnetischen Wellen unterliegen einem Pfadverlust proportional zum Quadrat der Entfernung und zum Quadrat der Frequenz. Eine Verdopplung der Frequenz vervierfacht den Pfadverlust (bei sonst gleichen Bedingungen). Bei 300 GHz beträgt der Freiraumausbreitungsverlust über 10 Meter etwa 82 dB — das bedeutet, das empfangene Signal ist 82 dB schwächer als das gesendete. Dies erfordert entweder extrem hohe Sendeleistung oder extrem hochverstärkende Richtantennen (oder beides), um die Verbindungsbilanz zu schließen.

Molekulare Absorption

Bestimmte Moleküle — insbesondere Wasserdampf (H₂O) und Sauerstoff (O₂) — absorbieren THz-Strahlung bei bestimmten Frequenzen. Auf Meereshöhe bei typischer Luftfeuchtigkeit können Absorptionsspitzen bei 183 GHz, 325 GHz und 557 GHz zusätzlich 10 bis 100 dB Dämpfung über kurze Entfernungen hinzufügen. Die praktische Auswirkung ist, dass THz-Kommunikationssysteme in den „Übertragungsfenstern“ zwischen diesen Absorptionsspitzen arbeiten müssen — insbesondere um 300 GHz, 350 GHz und 410 GHz, wo die Absorption geringer ist.

In Umgebungen mit niedriger Luftfeuchtigkeit (Wüsten, große Höhen, kalte Klimate) und in Innenräumen (wo die Luftfeuchtigkeit kontrolliert wird) ist die Absorption deutlich geringer. Dies macht THz-Kommunikation in Innenräumen erheblich praktikabler als Außenverbindungen über große Entfernungen.

Die THz-Ausbreitung wird durch den Freiraumausbreitungsverlust (82 dB bei 300 GHz auf 10 m) und die molekulare Absorption von H₂O und O₂ an Spitzen bei 183, 325 und 557 GHz begrenzt, was Systeme zwingt, in den Übertragungsfenstern nahe 300, 350 und 410 GHz zu arbeiten.

Warum THz für 7G dennoch notwendig ist

Angesichts dieser Herausforderungen könnte man fragen: Warum nicht einfach mehr Sub-6-GHz-Spektrum nutzen oder den mmWave-Ausbau erweitern? Die Antwort ist Arithmetik. Die gesamte verfügbare Bandbreite unterhalb von 100 GHz — bereits gesättigt durch Mobilfunk-, Satelliten-, Radar-, WLAN- und andere Dienste — misst sich weltweit in Dutzenden von Gigahertz. Die Kapazitätsnachfrage für drahtlose Kommunikation in den 2040er Jahren mit bestehenden Spektrumzuweisungen zu befriedigen, ist physikalisch unmöglich.

Das THz-Band hingegen enthält Hunderte von Gigahertz potenziellen Spektrums in jedem Übertragungsfenster. Es wird völlig neue Systemarchitekturen erfordern, um effektiv genutzt zu werden — aber die Rohkapazität ist vorhanden. Die Ingenieurherausforderung ist real. Die Alternative ist schlimmer.

Die gesamte verfügbare Bandbreite unterhalb von 100 GHz misst sich weltweit in Dutzenden von Gigahertz und ist bereits überlastet, laut den Spektrumzuweisungen von FCC und ITU. Das THz-Band bietet Hunderte von Gigahertz pro Übertragungsfenster und ist damit der einzige gangbare Weg für die Kapazitätsanforderungen der 7G-Ära.

Die Hardware-Herausforderung: THz-Signalerzeugung

Die Erzeugung und Erkennung von THz-Signalen ist aus einem fundamentalen Grund schwierig: Sie erfordert elektronische Bauelemente, die mit THz-Geschwindigkeit schalten. Die Schlüsselkenngröße für Transistoren ist die Transitfrequenz (fT) — die Frequenz, bei der die Verstärkung auf Eins fällt. Der Betrieb eines Transistors als Verstärker erfordert, deutlich unterhalb von fT zu arbeiten.

Aktuelle Spitzentransistoren:

• InP HEMT (Indiumphosphid-Hochbeweglichkeitstransistoren): Die besten Forschungsbauelemente zeigen fT-Werte um 700–1.000 GHz. Praktische Verstärker arbeiten bis etwa 300–400 GHz. Dies ist heute die dominierende Technologie für Sub-THz-Kommunikationssysteme.
• GaN HEMT: Niedrigere fT als InP (typischerweise 200–400 GHz für Forschungsbauelemente), aber deutlich höhere Ausgangsleistung — nützlich für Sendeverstärker in THz-Verbindungen, wo die Leistung zählt.
• Graphen-Transistoren: Theoretische Transitfrequenzen über 1 THz, aber praktische Verstärker haben die Laborleistung aufgrund von Kontaktwiderstand und Substrateffekten noch nicht erreicht. Aktives Forschungsgebiet.
• Photonische Ansätze: Die Erzeugung von THz-Signalen durch Überlagerung zweier Laserfrequenzen (Photomischen) umgeht die Grenzen elektronischer Transistoren vollständig und kann 1–3 THz erreichen. Geringere Leistung als elektronische Ansätze, aber in Verbesserung.

Für 7G werden praktische THz-Kommunikationssysteme wahrscheinlich InP- oder GaN-basierte Empfangsköpfe erfordern, die im Bereich 100–500 GHz arbeiten, für die kurzfristige Bereitstellung (2030er Jahre), wobei fortschrittliche photonische oder Verbundhalbleiteransätze den Frequenzbereich gegen Ende der 2030er und in den 2040er Jahren auf 1 THz und darüber hinaus erweitern, laut der THz-Roadmap von Horizon Europe der Europäischen Kommission.

InP HEMT führt die THz-Bauelementetechnologie mit fT-Werten von 700–1.000 GHz und praktischen Verstärkern bis ~400 GHz an, laut IEEE Electron Device Letters (2023). GaN HEMT bietet höhere Ausgangsleistung für Sendeverstärker, während photonische Ansätze 1–3 THz bei niedrigeren Leistungsniveaus erreichen können.

Antennendesign für THz

Bei THz-Frequenzen sind Wellenlängen submillimeterklein. Ein Signal bei 300 GHz hat eine Wellenlänge von 1 mm; ein Signal bei 1 THz hat eine Wellenlänge von 300 Mikrometern. Das hat zwei wichtige Konsequenzen.

Erstens werden Antennen winzig. Ein Halbwellendipol bei 300 GHz ist 0,5 mm lang — klein genug, um in das Chipgehäuse selbst integriert zu werden. Dies ermöglicht Antenna-in-Package-Designs (AiP), bei denen Transceiver und Antenne ein einziges integriertes Modul bilden und Verbindungsverluste reduzieren.

Zweitens können Antennen-Arrays extrem dicht sein. Ein 64-Element-Phased-Array bei 300 GHz passt in wenige Quadratmillimeter. Dies ermöglicht extrem gerichtete Strahlen — bei THz-Frequenzen bleistiftdünn — die Energie präzise auf den Zielempfänger konzentrieren. Hochverstärkende Richtantennen sind essenziell, um den Pfadverlust zu kompensieren.

Die Herausforderung ist die Strahlsteuerung. Ein hochgerichteter THz-Strahl muss ein sich bewegendes Gerät verfolgen oder sich anpassen, wenn der direkte Pfad blockiert ist. Dies erfordert ein schnelles und zuverlässiges Strahlmanagement — ein Problem, das 5G mmWave unvollkommen gelöst hat und das 6G und 7G robuster lösen müssen. Technologien wie rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS) können eine Schlüsselrolle bei der Verwaltung von THz-Strahlen spielen.

Bei 300 GHz ist ein Halbwellendipol nur 0,5 mm lang, was Antenna-in-Package-Designs (AiP) und 64-Element-Phased-Arrays auf wenigen Quadratmillimetern ermöglicht — ultradünne Strahlen erzeugend, die essenziell für die Kompensation des THz-Pfadverlustes sind.

Aktuelle Forschung und Demonstrationen

Mehrere wegweisende Experimente zeigen die Richtung der THz-Kommunikation:

• NTT Docomo demonstrierte 2021 eine drahtlose 100-Gbps-Verbindung bei 300 GHz über eine 100-Meter-Innenstrecke — der erste Machbarkeitsnachweis auf Systemebene für THz-Backhaul über diese Distanz.
• Forscher der Universität Tokio demonstrierten 2023 eine 240-GHz-Verbindung mit 100 Gbps über 10 Meter mit einem 3,8-cm²-chipintegrierten Antennen-Array, was die bei THz mögliche Antennendichte zeigt.
• Das Samsung Advanced Institute of Technology demonstrierte 2021 eine drahtlose 1-Tbps-Verbindung bei 140 GHz über 15 cm in einer kontrollierten Umgebung, hauptsächlich als Machbarkeitsnachweis für Modulationsleistung bei Sub-THz-Frequenzen.
• Das EU-Projekt TERAPOD demonstrierte die drahtlose THz-Datenverteilung innerhalb eines Rechenzentrum-Racks mit dem Ziel, Kupferverbindungen durch THz-Verbindungen für die Rack-zu-Rack-Kommunikation zu ersetzen — eine kurzfristige kommerzielle Anwendung, die keine Ausbreitung über große Flächen erfordert.

Keine dieser Demonstrationen ist „7G-bereit“. Sie sind Machbarkeitsnachweise, die spezifische Komponenten eines zukünftigen Systems validieren. Die Kluft zwischen einer 100-Gbps-Demonstration bei 300 GHz über 100 Meter und einer bereitgestellten 7G-THz-Kleinzelle, die 500 Geräte gleichzeitig bedient, ist enorm — und erstreckt sich über etwa 10 bis 15 Jahre Ingenieurarbeit. Für einen Vergleich mit der breiteren Technologielandschaft von 6G vs. 7G, lesen Sie unsere detaillierte Analyse.

THz in der 7G-Architektur

Die Ausbreitungsphysik von THz diktiert, wo es bereitgestellt wird: Kurzstrecke, hohe Dichte, hauptsächlich in Innenräumen. Die 7G-Architektur wird das THz-Spektrum nutzen für:

• Innen-Kleinzellen: THz-Zugangspunkte, verteilt in Büros, Fabriken und Wohnungen, die Multi-Gbps-Datenraten pro Gerät innerhalb von Räumen liefern.
• Gerät-zu-Gerät-Kommunikation (D2D): Hochgeschwindigkeitsdatenaustausch zwischen Geräten in unmittelbarer Nähe — AR-Headsets, die Szenendaten teilen, autonome Fahrzeuge, die Sensorströme an Kreuzungen austauschen.
• Drahtloses Backhaul: Kurzstrecken-THz-Verbindungen, die Basisstationskomponenten in dichten Bereitstellungen verbinden und Glasfaser ersetzen, wo das Graben von Kabelschächten unpraktisch ist.
• Rechenzentrum-Verbindungen: THz-Verbindungen, die Kupfer für die Rack-zu-Rack- und Intra-Rack-Kommunikation ersetzen, wo sie Bandbreitenvorteile bieten und den Energieverbrauch aktiver elektrischer Verbindungen eliminieren.

Keine THz-Weitbereichsabdeckung wird in der 7G-Ära erwartet. Die Physik ist zu ungünstig. Die 7G-Makroschicht wird Sub-THz- und Mittelband-6G-Frequenzen für die Abdeckung nutzen; THz liefert die Kapazität an Hotspots.

In der 7G-Architektur wird THz-Spektrum für Kurzstrecken-Hochkapazitätsszenarien bereitgestellt: Innen-Kleinzellen, Gerät-zu-Gerät-Verbindungen, drahtloses Backhaul und Rechenzentrum-Verbindungen — während die Makro-Abdeckungsschicht auf Sub-THz- und Mittelband-Frequenzen von 6G beruht.

Der Weg zur Bereitstellung

Der Technologiereifegrad (TRL) von THz-Kommunikationskomponenten liegt 2026 bei etwa TRL 3–4: Machbarkeitsnachweis unter Laborbedingungen. Der Übergang zu TRL 7–8 (Prototyp in betrieblicher Umgebung) erfordert 8 bis 12 Jahre. Der Übergang zu TRL 9 (produktionsbereites System) erfordert weitere 3 bis 5 Jahre.

Dieser Zeitplan ist konsistent mit dem Erscheinen von 7G-THz-Kleinzellen in führenden Bereitstellungen um 2038–2042. Davor sollte Sub-THz (100–300 GHz) in 6G-Advanced-Systemen um 2033–2035 als Zwischenschritt erscheinen — die Brücke zwischen 5G mmWave und echtem 7G THz.

Die erforderliche Investition, um diese Lücke zu schließen, ist erheblich: neue Halbleiterwerke für die Volumenproduktion von InP- und GaN-Bauelementen, Gehäusetechnologie für Antenna-in-Package-Module, chipinterne Strahlsteuerungs-ASICs und die Signalverarbeitungsalgorithmen für THz-Verbindungen in dichten Mehrnutzerumgebungen. Die Unternehmen und nationalen Programme, die diese Investitionen jetzt tätigen, werden die THz-Lieferkette für das Jahrzehnt 2035–2045 definieren.

Quellen

1. ITU-R Empfehlung P.676 — Modell der atmosphärischen Dämpfung für Frequenzen bis 1 THz
2. IEEE Electron Device Letters — Leistungsbenchmarks für InP-HEMT- und GaN-HEMT-Transistoren
3. NTT Docomo 300-GHz-Demo (2021) — drahtlose 100-Gbps-Verbindung bei 300 GHz über 100 Meter
4. Samsung Advanced Institute of Technology — 1-Tbps-Machbarkeitsnachweis bei 140 GHz
5. EU-Projekt TERAPOD — drahtlose THz-Datenverteilung in Rechenzentrumsumgebungen
6. FCC Spectrum Horizons (2019) — Öffnung von Frequenzen über 95 GHz für experimentelle und lizenzierte Nutzung