Mobilfunkmesstechnik 5G braucht neue Testverfahren

Entwickeln auf einer Plattform für 5G

Bei der Forschung an Funkkommunikationsnetzen hat sich schnell gezeigt, dass der einzige Weg zu einer erfolgreichen 5G-Entwicklung und -Bereitstellung über einen plattformbasierten Ansatz führt, in dessen Zentrum Software steht.

So hat Nokia beispielsweise den ersten 5G-Prototyp für mm-Wellen-Kommunikation bei 73 GHz entwickelt und damit einen neuen Rekord bei der mobilen Datenrate unter Verwendung des mm-Wellen-Spektrums aufgestellt. Und auch die Universität Lund hat mit einem plattformbasierten Ansatz den ersten Massive-MIMO-Prototyp entwickelt. Die Universität Bristol und Facebook haben mit jeweils eigenen Massive-MIMO-Prototypen eine bis dato unerreichte spektrale Effizienz erzielt.

Diese Systemprototypen haben bereits eine wesentliche Rolle für die Entwicklung und Standardisierung von 5G gespielt. Das plattformbasierte Konzept, das dabei zum Einsatz kam, nutzt alle Vorteile der SDR-Technik (Software-Defined Radio), um die komplexen Systemherausforderungen zu bewältigen und schneller Ergebnisse zu erzielen (Bild 2).

Mit der Weiterentwicklung von Software wird sich auch die SDR-Technik für den Entwurf und die Prototypenerstellung weiter verändern. Vorstellbar sind beispielsweise leistungsstärkere SDR-Transceiver, deren Software über die Bitübertragungsschicht hinausgeht und so die Nutzung von Open-Source-Software ermöglicht. Damit stünde Forschern ein einheitlicher Entwicklungsansatz sowohl für die oberen Schichten als auch für das Netzwerk zur Verfügung.

5G hört nicht bei der Entwicklung auf

Mess- und Prüftechnik werden für die Kommerzialisierung von 5G eine zentrale Rolle spielen. Prüfsysteme können sich dabei nicht mehr nur auf die Bitübertragungsschicht beschränken, sondern müssen in der Lage sein, die neuen Mehrantennen-Techniken mit gesteuerter Strahlausrichtung schnell und kosteneffizient zu testen.

Darüber hinaus müssen sie auch neue mm-Wellen-fähige Geräte mit extrem hoher Bandbreite unterstützen. Dabei kommt es jedoch nicht nur darauf an, die zentralen Geräteparameter zuverlässig zu testen. Auch die Kosteneffizienz spielt eine wichtige Rolle, um die Massentauglichkeit von 5G zu gewährleisten.

Aufgrund dieser Anforderungen ist für das Testen von Funkgeräten und -Systemen für 5G ein neuer Ansatz erforderlich. Anstelle von leitungsgebundenen Messungen sind hier Testverfahren per Funk, sogenannte Over-the-Air-Tests (OTA), unabdingbar.

OTA-Tests bringen jedoch wiederum eigene Herausforderungen mit sich, insbesondere in Bezug auf die Umgebung, in der das Testgerät und der Prüfling koexistieren. Da Luft ein unberechenbares Medium ist, unterliegen Funkkanäle immer wieder Schwankungen und veränderlichen Umgebungsbedingungen. Um ein Gerät effizient zu testen, müssen Prüfingenieure den Kanal im OTA-Szenario isolieren und das Gerät für jede Strahlkonfiguration individuell steuern.

Unternehmen wie Intel haben zudem bereits frühe Phased-Array-Antennenmodule auf den Markt gebracht, bei denen die Antenne direkt am HF-Eingang befestigt ist, um Verluste so gering wie möglich zu halten. Da die Module nur über einen Funkzugang verfügen, müssen Testgeräte mm-Wellen-Frequenzen unterstützen und die wesentlichen Leistungsmerkmale für jeden Strahl charakterisieren.

Eine weitere Testherausforderung ist, wie so oft, die Bandbreite, die sich im Vergleich zu Standard-LTE bei 5G voraussichtlich um das 50-Fache steigern wird. Prüfsysteme müssen daher nicht nur in der Lage sein, diese bandbreitenintensiven Signale zu erzeugen und zu erfassen, die Datenverarbeitung muss auch in Echtzeit erfolgen.

Der nächste Schritt

In der Forschung zu 5G hat der plattformbasierte Ansatz auf Basis der SDR-Technik bereits zu schnellen und umsetzbaren Ergebnissen geführt. Jetzt müssen auch die Testgerätehersteller nachziehen.

5G läutet eine ganz neue Ära der Funkkommunikation ein, für deren Entwicklung flexible und softwarekonfigurierbare Plattformen unabdingbar sind.

Der Autor

James Kimery

ist Director of Marketing für die Bereiche Software-Defined Radio (SDR) und Wireless Research bei National Instruments. In dieser Funktion ist er hauptverantwortlich für die 5G-Strategie des Unternehmens im Forschungs- und Industriebereich. Kimery leitet den Bereich Software-Defined Radio, zu dem auch die 2010 von NI erworbene Tochtergesellschaft Ettus Research gehört, sowie NIs RF and Communications Lead User Program, bei dem führende Forschungsinstitute aus aller Welt an der schnelleren Umsetzung von der Theorie in die Praxis, sprich der schnelleren Erstellung von Prototypen und anschließenden praktischen Bereitstellung arbeiten.

2014 war Kimery Vorsitzender des IF&E-Ausschusses (Industry Forum and Exhibition) bei der internationalen IEEE-Globecom-Konferenz in Austin, Texas.

Vor seiner Zeit bei NI war Kimery bei Silicon Laboratories als Director of Marketing des Geschäftszweigs für Funk-ICs tätig. Unter seiner Führung wurden mehrere Brancheninnovationen auf den Markt gebracht, u.a. der erste integrierte CMOS-HF-Synthesizer und -Transceiver für Mobilfunk, der erste digitalgesteuerte Quarzoszillator sowie das erste Ein-Chip-Telefon (AeroFONE). Der AeroFONE-IC wurde vom IEEE zu einem der 40 innovativsten Schaltkreise, die jemals entwickelt wurden, gewählt.

Vor seinem Wechsel zu Silicon Labs war Kimery bereits für National Instruments tätig und leitete zahlreiche erfolgreiche Programme wie z.B. die Planung und Einführung der PXI-Plattform (PCI eXtensions for Instrumentation). Zudem gehört Kimery zu den Gründungsmitgliedern der VXIplug&play Systems Alliance, der VISA-Arbeitsgruppe und der PXI Systems Alliance.

Zu seinen Veröffentlichungen zählen über 60 Fachbeiträge und Artikel zu unterschiedlichen Themen aus den Bereichen Wireless-Kommunikation sowie Mess- und Prüftechnik. Kimery studierte Elektrotechnik (Bachelor) an der Texas A&M University und Betriebswirtschaft (Master) an der University of Texas in Austin.

james.kimery@ni.com