Mess- und Prüftechnik / HF-Systemdesign SystemVUE versus LabVIEW Communications

Mit der Fixierung von 3gpp Release 15 bewegt sich die 5G-Technologie aus der Forschung hin zu den ersten realen Implementierungen. Hier wird Entwurfssoftware zur spezifikationskonformen Integration notwendig. In diesem Interview werden zwei Entwicklungs-Frameworks gegeneinander abgewogen.

DESIGN&ELEKTRONIK: Innovationen der Halbleiterelektronik denkt man oft in einer Transistorstrukturgröße. Technologiesprünge von 3G über 4G nach 5G sind eher mit Änderungen in den äußeren Frequenzen assoziiert. Diese liegt zunächst am FrontEnd an - Weshalb benötigt 5G erhebliche Hardwareentwicklung über das FrontEnd hinaus?


National Instruments: 5G bringt definitiv neue Designherausforderungen mit sich, sowohl auf Hard- als auch auf Softwareseite. Diese Herausforderungen ergeben sich aus vier Bereichen, die derzeit erforscht werden: Massive-MIMO, Mobilfunknetzwerke, neue 5G-Signalverläufe und Millimeterwellen.

Werfen wir einen Blick auf einige der Anforderungen für 5G. Da wären zum einen höhere Datenraten, die sich mit breiteren Bändern im Kommunikationssystem realisieren lassen. Allerdings ist das Frequenzspektrum bereits dicht belegt, womit höhere Trägerfrequenzen notwendig sind. Leider kommt es bei höheren Trägerfrequenzen, GHz im zweistelligen Bereich, aber zu einer deutlich stärkeren Signaldämpfung durch die Atmosphäre, einer höheren Richtwirkung sowie einer höheren Anfälligkeit für Störungen und Blockaden. Aktuell werden zahlreiche Tests zur Charakterisierung von Übertragungskanälen durchgeführt und die Auswirkungen von Regen oder Nebel auf die Empfangsleistung untersucht.
Eine mögliche Lösung für Übertragungskanäle mit hoher Dämpfung ist der Einsatz vieler Basisstationen mit geringer Leistungsabgabe und kleinerem Wirkungskreis, sogenannten Mikrozellen. Auf der anderen Seite beugen sich mm-Wellen nicht an Objekten, die deutlich größer sind als die Signallänge, wodurch Signale durch Objekte wie Fahrzeuge oder Möbel blockiert werden. Hier wäre eine mögliche Lösung der Einsatz von Strahlformungstechnik (Anm.: Beamforming) und die Übertragung elektromagnetischer Wellen in genau festgelegte Richtungen. Eine positive Auswirkung wäre ein höherer Kanaldurchsatz, da die räumlichen Streams, zumindest theoretisch, voneinander getrennt sind und die Basisstation so gleichzeitig an mehrere Empfänger senden kann.
Selbstverständlich wird es weitere Diskussionen hinsichtlich zukünftiger Modulations- und Kanalzugriffsverfahren geben. Ein Kandidat ist beispielsweise GFDM (Anm.: Generalized Frequency Division Multiplexing), dessen Nebenbandaussendungen geringer sein sollen als bei OFDM und das auch den PAPR-Wert (Anm.:Peak-to-Average Power Ratio) reduziert, was wiederum die Effizienz des Leistungsverstärkers steigert. Die genannten Themen sind nur die Spitze des Eisbergs, zeigen aber schon deutlich, dass verschiedene Vektoren zusammenspielen müssen, um die von 5G erwarteten Durchbrüche zu erzielen.
 

Keysight Technologies: Der Technologiesprung zu 5G soll Anwendungen aus drei Kommunikationsbereichen unterstützen: sehr breitbandiger mobiler Datentransfer mit bis zu 10 Gb/s (Anm.: eMBB = extreme mobile broadband), sicherheitskritsche Anwendungen mit extrem kurzen Latenzzeiten (Anm.: ULLC = ultra-low latency communication) und massive Maschinenkommunikation (Anm.: mMTC = massive machine type communication). Jeder hat natürlich seine ganz eigenen Herausforderungen, die eine signifikante Weiterentwicklung der Hardware erfordern, eben auch eMBB. Hier sind es neben Fragen des Netzwerkmanagements mit Blick auf den Physical Layer, wie bereits erwähnt, neue Frequenzbereiche, neue Modulationsverfahren, die immer größere Rechenkapazität gerade auch im Basisbandchip erfordern und erst mit neuesten Technologien überhaupt so hoch integriert werden können. Im Front-End ist der Sprung hin zu Millimeterwellen bis 100 GHz sicher eher Innovation als Modifikation.

Bei Massive-MIMO liegt die Herausforderung, wie der Name schon sagt, in den vielen Ein- beziehungsweise Ausgängen, über die das Signal parallel übertragen wird. Dabei wird die Hardwareentwicklung Wege finden müssen die damit verbundene Signalverarbeitung und -konditionierung effizient umzusetzen. Verbunden ist dies in der Regel mit einer gezielten Ausrichtung des Signals auf den jeweiligen Benutzer, beziehungsweise idealerweise bei einer gleichzeitigen Unterdrückung der jeweils anderen. Für dieses Beamforming gibt es digitale, analoge und natürlich hybride Konzepte. Im Basisbandbereich werden eher digitale Konzepte zum Einsatz kommen, welche die Anforderungen an die Signalverarbeitung entsprechend erhöhen, womit wir wieder bei den Strukturgrößen wären. Teils findet man dies auch schon im 4G-Bereich. Bei Millimeterfrequenzen wird Beamforming essentiell wichtig um die hohen Verluste der Übertragungsstrecke auszugleichen. Hier kommen eher analoge Verfahren zum Einsatz. Durch die mögliche Miniaturisierung aufgrund der kurzen Wellenlängen, können Halbleiter, passive Komponenten und Antennen als integrierte Hardwaremodule realisiert werden.