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Funkkanalemulation: Realistische MIMO-Testszenarien im Labor erzeugen

Mit der zunehmenden Komplexität der MIMO-Szenarien gewinnen Tools, die Funkkanäle realistisch und reproduzierbar nachbilden können, für die Entwickler an Bedeutung. Elektrobit (Vertrieb: Gigacomp) hat dazu den Funkkanalemulator EB Propsim F32 entwickelt, der die für MIMO-Tests kritischen Charakteristika des Funkkanals emuliert und realistische Testszenarien auch im Labor ermöglicht.

Bis zu 32 Sendeantennen können in der Over-the-Air-Messkammer von einem Gerät angesteuert werden

Bis zu 32 Sendeantennen können in der Over-the-Air-Messkammer von einem Gerät angesteuert werden

Getrieben durch datenhungrige Applikationen entwickeln sich Mobilfunksysteme hin zu immer höheren Datenraten. Auf Verbindungsebene (im Physical Layer) setzt man auf innovative Technologien; im UMTS-Nachfolger LTE ist es zum Beispiel die adaptive Multi-Antennenkonfiguration MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output), und der noch in der Standardisierung befindliche Nachfolger LTE-Advanced wird die Komplexität der Verbindungsebene durch Carrier Aggregation (gleichzeitige Verwendung mehrerer Funkkanäle einer Basisstation) und Coordinated Multipoint (gleichzeitige Verwendung der Funkkanäle mehrerer Basisstationen) weiter erhöhen. Diese neuen Verfahren versprechen neben wesentlich höherem Datendurchsatz auch eine bessere Übertragungsqualität und Reichweite, ohne die Bandbreite oder die Sendeleistung zu erhöhen.

»Damit ausgeklügelte MIMO-Technologien wie Raummultiplex, Strahlformung und Raumdiversität die Erwartungen erfüllen, ist es wichtig, für die Entwicklung und Verifikation der Endgeräte und Basisstationen Werkzeuge zu haben, die den Funkkanal so realistisch und reproduzierbar wie möglich nachbilden und die mit der zunehmenden Komplexität der Szenarien Schritt halten können«, erklärt Dr. Bernd Fleischmann, Geschäftsführer des auf Hochfrequenz spezialisierten Distributors Gigacomp. »Elektrobit, kurz EB, hat deshalb den Funkkanalemulator EB Propsim F32 entwickelt, der mit seiner Kanalkapazität, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit alle diese Anforderungen erfüllt: Bis zu 32 bidirektionale HF-Kanäle mit 40 MHz Bandbreite in einem kompakten Gehäuse, 128 unabhängige Schwundkanäle, ein Frequenzbereich bis 2,7 GHz und internes Signalrouting und -splitting sind Voraussetzungen, um kritische Testszenarien leitungsgebunden oder über die Luftschnittstelle im Labor zu realisieren. Das Gerät ist Upgrade-fähig für künftige Funkverfahren und Kanalmodelle, und mit der Synchronisierbarkeit von bis zu sechs Geräten sollte auch die Kanalkapazität längerfristig ausreichen.«

MIMO-Testszenarien
Der EB Propsim F32 emuliert die typischen Charakteristika des Funkkanals wie Ausbreitungsdämpfung, Mehrwegeempfang, Laufzeitstreuung (Delay Spread), Polarisation, Dopplerverteilung und räumliche Parameter wie Eintreffwinkel und Winkelstreuung, die kritisch sind für MIMO-Tests. Dank der großen Zahl eingebauter Kanäle lassen sich auch sehr komplexe Szenarien wie 8x8 MIMO (8 Sende- und 8 Empfangsantennen) gleichzeitig für Up- und Downlink emulieren, wie es z.B. für Multi-User-MIMO benötigt wird.

Virtueller Fahrtest im Labor mit MIMO-Handover zwischen beispielsweise drei Basisstationen

Virtueller Fahrtest im Labor mit MIMO-Handover zwischen beispielsweise drei Basisstationen

Das in China standardisierte TD-LTE (Time-Division) mit Strahlformung profitiert ebenfalls von der hohen Kanalkapazität, die bereits ohne die Synchronisierung mehrerer Geräte zur Verfügung steht. Integrierte Lokaloszillatoren und Duplexer vereinfachen die Konfiguration von Carrier-Aggregation- und Cooperative-MIMO-Tests. Die hohe Signaltreue des EB Propsim F32, die sich z.B. in einem niedrigen Fehlervektor von <-45dB äußert, und die bitgenaue Reproduzierbarkeit durch die abgespeicherten Kanalimpulsantworten sorgen dafür, dass Optimierungen im Endgerät oder in der Basisstation sofort sichtbar werden.

Virtueller Fahrtest
Mit der Applikation Virtual Drive Testing (VDT) holt der EB Propsim F32 den Fahrtest quasi ins Labor - traditionelle Feldtests, die zeitaufwändig und schlecht reproduzierbar sind, werden damit weitgehend überflüssig. Die VDT-Applikation verwendet einmal gemessene Daten des realen Netzes und spielt sie im EB Propsim F32 beliebig oft ab. Die von Funkscannern, speziellen Testterminals oder so genannten Channel Soundern aufgenommenen Daten beinhalten die reale Mehrwegeausbreitung, Dopplereffekte, Pegelschwankungen und Interferenzen. Auch die Antennencharakteristika werden von der VDT-Applikation simuliert. Probleme im Zusammenspiel der Netzwerkkomponenten (inklusive Chipsätzen und Betriebssoftware) unter verschiedenen realistischen Bedingungen lassen sich so im Labor identifizieren und ausräumen. Mehrere Basisstationen und Endgeräte können in einem virtuellen Fahrtest simultan agieren. Typische Anwendungen sind Interoperabilitätstests von Infrastruktur-Produkten verschiedener Hersteller und Handover zwischen verschiedenen Funkstandards.

MIMO-Over-the-Air-Tests (OTA)

Die MIMO-OTA-Applikation von EB erweitert die traditionellen leitungsgebundenen Tests um die in MIMO-Anwendungen essenziellen Antennencharakteristika, Polarisation und Richtungsinformation. »Nur der Test über die Luftschnittstelle ermöglicht quantitative Aussagen über die Kapazität und Effizienz von Mehrantennensystemen«, verdeutlicht Fleischmann. »An der Standardisierung der Over-the-Air-Tests für LTE wird noch gearbeitet, aber bereits jetzt setzen alle großen Hersteller von MIMO-Smartphones die Testlösung von EB ein.« In einer reflexionsarmen Kammer werden in 1 bis 3 Ebenen Richtantennen kreisförmig um das zu messende Endgerät angeordnet. Die von mehreren Basisstationen stammenden Funksignale werden im EB Propsim F32 so aufbereitet und an die Richtantennen weitergegeben, dass am Endgerät ein vorher in der Realität gemessenes Wellenfeld mit allen richtungsabhängigen Komponenten wiedergegeben wird.