Mess- und Prüftechnik / 5G-OTA-Tests Soft- und hardwarebasierte Nahfeld-Fernfeld-Transformationen

Dynamisches Beamforming und das Fehlen von HF-Testports an Prüflingen machen Over-the-Air-Messungen bei der Umstellung auf 5G unverzichtbar. Die Herausforderungen können mit Hilfe von OTA-Testlösungen bewältigt werden, die software- und hardwarebasierte Nahfeld-Fernfeld-Transformationen einsetzen.

Die 5G New Radio (NR)-Technologie erhöht die Kapazität von Mobilfunknetzen, indem sie Frequenzbänder im Sub-6-GHz-Bereich – von 3GPP als Frequenzbereich 1 (FR1) bezeichnet – und im Millimeterwellenbereich (FR2) unterstützt. Die Industrie und 3GPP haben neue technologische Ansätze entwickelt, die höhere Bandbreiten zu niedrigeren Betriebskosten versprechen.

Im FR1-Bereich konzentrieren sich die Entwicklungsanstrengungen vor allem auf die Basisstationen (BS), die für den Einsatz von Massive MIMO gerüstet werden sollen [1]. 4G-Systeme setzen Single-User MIMO (SU-MIMO) ein. Hier berechnet das Endgerät die inverse Kanalmatrix und extrahiert mit deren Hilfe die separaten Datenströme. 5G Multi-User MIMO (MU-MIMO) dagegen setzt eine Precoding-Matrix ein und verlagert damit die Komplexität von den Endgeräten hin zur Basisstation. In diesem Fall werden die Datenströme unabhängig voneinander von separaten Empfängern aufgenommen.

Beim MU-MIMO-Verfahren werden die Störeinflüsse für benachbarte Nutzer durch Beamforming (Strahlenbündelung) mit Hilfe von Gruppenantennen mit 64 bis 512 Elementen reduziert. Beamforming erleichtert nicht nur den Einsatz von MU-MIMO für eine erhöhte Netzkapazität; es bietet auch noch weitere Vorteile. Da die Endgeräte nur mit dem für sie bestimmten, dedizierten Signal beaufschlagt werden, reduzieren sich der Energieumsatz und damit die Gesamtbetriebskosten des Funknetzes. Kommunikationssysteme im FR2-Bereich können große Bandbreiten bei den Frequenzen um 28 GHz und 39 GHz nutzen. Die Konsequenz sind jedoch Pfadverluste von über 60 dB im Abstand von 1 m und eine starke Absorption des elektromagnetischen Felds durch Objekte in der Umgebung. Wie bei FR1-Systemen wird diese Problematik gelöst, indem Gruppenantennen, Beamforming und Beamsteering (Strahllenkung) vewendet werden. Das verbessert das Signal auf der Endgeräte- sowie auf der Netzwerkseite.

Sowohl im FR1 als auch im FR2 hängt der erfolgreiche 5G-Einsatz von der Leistungsfähigkeit der hochintegrierten Lösungen ab, die Modem, HF-Frontend und Antenne vereinen. Die Herausforderung besteht darin, neue Methoden und Testaufbauten für die Bewertung der Performanz zu definieren, da meist keine HF-Messtore mehr vorhanden sind und Beamsteering-Technologien Tests auf Systemebene notwendig machen.