Das Projekt EdgeLimit-Green ICT Die Entwicklung von energiesparsamen Mobilfunkbasisstationen

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Bei dem BMBF-geförderten Projekt „EdgeLimit-Green ICT“ geht es um die bedarfsgerechter Steuerung eines Energie-effizienten Edge-Cloud-Mobilfunksystems. Zur Realisierung von energiesparsamen Mobilfunkbasisstationen wollen die Fraunhofer-Institute IAF und IIS mit der Universität Freiburg und Industriepartnern bis 2025 auf der Grundlage AlScN-basierter Komponenten diese entwickeln und unter Praxisbedingungen testen.

EdgeLimit-Green ICT startet nach Vorprojekt zur Evaluierung von Halbleitertechnologien und Anwendungsansätze beim Innovationswettbewerb »Green ICT – Elektronik für energiesparsame Informations- und Kommunikationstechnik« (IKT, engl. ICT) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Sommer 2021. Die Industriepartner im Projektverbund unterstützen das Vorhaben durch Kooperationen bei der Entwicklung neuartiger Hochfrequenz-Transistoren (Nokia), der Schaltkreis-Prozessierung (United Monolithic Semiconductors GmbH, UMS) sowie der praxisorientierten Bewertung und Übertragung von Testergebnissen (Deutsche Telekom AG).

Professor Rüdiger Quay, Projektkoordinator und geschäftsführender Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik 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.“

Das hohe Energiesparpotenzial des zu entwickelnden Antennensystems fußt zum einen auf den Materialeigenschaften des Leistungshalbleiters Aluminiumscandiumnitrid (AlScN), der am Fraunhofer IAF per metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestellt und in Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (»high-electron-mobility transistors«, HEMTs) 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.

Der Aufbau

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 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 in »EdgeLimit-Green ICT« zu realisierenden Antennensystems (engl. »Remote Radio Head«, RRH) durch die Kombination Energie-effizienter Bauelemente und optimierter Organisation um mindestens 50 Prozent sinken, indem die Leistungseffizienz auf Verstärkerebene bei neuen Frequenzen zwischen 26 und 34 Gigahertz verdoppelt, der Verlust in Leistungswandlern halbiert und eine bedarfsgerechte Steuerung des Systems implementiert wird.

Das BMBF fördert die Realisierungsphase von EdgeLimit-Green ICT für drei Jahre.

* Lukas Kübler arbeitet im Marketing und in der Kommunikation des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF.

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