Neue Funknetzkonzepte durch neue Bauelemente Wireless-Breitband überall

Mobilfunksysteme der nächsten Generation mit deutlich kleineren Funkzellen als heute versprechen eine flächendeckende Versorgung mit neuen Breitband-Diensten. Doch die kleineren Zellen und neue Übertragungstechnologien, wie z.B. MIMO, brauchen ein äußerst präzises „Timing“ in den Netzen – hierfür gibt es jetzt spezielle Bausteine.

Neue Funknetzkonzepte durch neue Bauelemente

Mobilfunksysteme der nächsten Generation mit deutlich kleineren Funkzellen als heute versprechen eine flächendeckende Versorgung mit neuen Breitband-Diensten. Doch die kleineren Zellen und neue Übertragungstechnologien, wie z.B. MIMO, brauchen ein äußerst präzises „Timing“ in den Netzen – hierfür gibt es jetzt spezielle Bausteine.

Wenn künftigen Mobilfunk-Teilnehmern eine doppelt so hohe Datenrate geboten werden soll, setzt dies normalerweise 50 % mehr Zellen voraus. Außerdem verlangt die breitbandige Datenübertragung nach höheren Frequenzen mit prinzipbedingt mäßigen Ausbreitungseigenschaften in bebauten Gebieten mit Reflexionen. Deshalb wird bereits über eine flexible Vernetzung von dezentralen Basisstation-Architekturen, über dezentrale Funkstationen und sehr kleine „Pikozellen“ nachgedacht. Auch ausgefeilte Mehrantennen-Technologien (Diversity-Technik, intelligente Richtantennen, MIMO – Multiple Input Multiple Output) sind interessant, denn damit lässt sich erheblich mehr Flexibilität bei der Sender-Aufstellung bzw. Netzabdeckung erreichen und das Frequenzspektrum besser nützen. Außerdem steigen Datenrate und Dienstqualität, was wiederum den ARPU (Average Revenue per User) trotz sinkender Gesprächsgebühren erhöhen helfen soll.

Die Kehrseite der Medaille ist, dass in den dazu nötigen neuen Funknetzen die Timing-Restriktionen um eine ganze Größenordnung strenger sind als bei früheren Systemen, was erhebliche Herausforderungen für die Kalibrierung und Kontrolle der Signallaufzeiten im Mobilfunknetzwerk mit sich bringt.

Das vorhandene Spektrum besser nutzen

Ideal für Netzbetreiber wäre, nicht auf höhere Frequenzen wechseln zu müssen, sondern die Kapazität bei den bestehenden niedrigeren Frequenzen durch höhere spektrale Effizienz, d.h. durch bessere Ausnutzung des vorhandenen Spektrums, zu steigern [2] und damit mehr Bandbreite zu haben.

Modulation und Codierung waren in der Vergangenheit stets die gängigen Mittel, um die spektrale Effizienz im Zeit- und Frequenzbereich zu verbessern. Allerdings rücken die neuesten Techniken bereits sehr nah an die in einem Medium wie der Luft theoretisch mögliche, so genannte Shannonsche Kanalkapazität [3] heran. Was als Option bleibt, ist eine räumliche Verteilung („space domain“) auf mehrere Basisstationen und Antennen.

Bei den Mehrantennen-Architekturen gibt es zwei entscheidende Entwicklungen, nämlich die intelligenten „Adaptive Antenna Systems“ (AAS, Bild 1a) und die MIMO-Systeme (Multiple Input Multiple Output, Bild 1b). Bei der AAS-Technik erfolgt eine gerichtete Abstrahlung genau auf den Nutzer hin, wodurch die Reichweite steigt, die Zellen größer werden können, während die Interferenzen abnehmen (Störer meistens neben dem Richtstrahl). Auch kann das von einem Teilnehmer genutzte Spektrum in einer anderen Abstrahlrichtung leicht wieder verwendet werden. Bei der MIMO-Technik werden die normalerweise störenden Streuausbreitungswege in einen Vorteil verwandelt, indem die zusätzlichen Antennen zur Einrichtung weiterer Daten-Pipes genutzt werden.

Mit AAS und MIMO lassen sich Netzabdeckung und Kapazität verbessern, ohne dass sich nennenswerte Einflüsse auf Latenzzeit und Sendeleistung ergeben. Letztere kann sogar reduziert werden. Wohlgemerkt: Für den Netzbetreiber sind Kapazität und Netzabdeckung relevant. Während zusätzliche Kapazität die Kosten für den Betreiber senkt, sorgt eine bessere Flächendeckung für eine stärkere Kundenbindung [1]. Ein Absenken der Sendeleistung kommt der Effizienz der Basisstation ebenso zugute wie der Akkulaufzeit der Mobiltelefone. Auch die Strahlungsintensität der Endgeräte kann gemindert werden. Kurze Latenzzeiten verbessern die Bandbreiten-Effizienz und sorgen für reduzierte Reaktionszeiten beim Surfen im Internet.

Die AAS-Technik, die in GSM und W-CDMA-Netzwerken bereits genutzt wurde, ist ein entscheidendes Element der TD-SCDMA-Systeme mit hoher Kapazität in China. Das MIMO-Prinzip verzeichnet auf dem WLAN-Sektor zunehmend Erfolge, hat die WiMAX-Freigabe und ist für 3G LTE (Long Term Evolution) geplant, um deutlich höhere Datenraten zu bringen.

Ist der RRH eingeschaltet und zur BTS synchronisiert, müssen sämtliche Signallaufzeiten zwischen den RRHs und dem BTS-Hotel kalibriert werden, damit die Timing-Anforderungen der Luftschnittstelle erfüllt werden. Das Kalibrieren der RRH-BTS-Verbindung erfolgt typischerweise durch Messen der Laufzeiten mit Hilfe des Frame-Timings. So gibt der CPRI-Standard vor, dass die Laufzeit zwischen einem RRH und einer BTS genau (T14 – Toffset)/2 ist. Dabei gibt T14 die Zeit zwischen Sendung und Empfang eines Hyperframes an der BTS an, während Toffset die Zeit zwischen Empfang und Sendung eines Hyperframes am RRH ist. Der SCAN25100 misst auf transparente Weise T14 und Toffset sowie seine internen deterministischen Laufzeiten (Bild 5) und gibt präzise Informationen über die Laufzeiten auf der Lichtwellenleiter-Verbindung und im Chip an seiner parallelen Schnittstelle aus. Ebenso misst der Baustein die Laufzeiten Tin-out und Tout-in an seinem parallelen Bus (analog zur Messung von T14 und Toffset am seriellen Bus), um die RRH-interne Laufzeit-Kalibrierung zu erleichtern.

Die Messungen an der RRH-Verbindung setzen üblicherweise eine Genauigkeit in der Größenordnung von 10 ns voraus. In Multi-Hop-RRH-Netzwerken summieren sich die Fehler der Laufzeitmessung jedoch auf, so dass eine höhere Genauigkeit erforderlich sein kann. Der Baustein garantiert für die T14/Toffset-Laufzeitkalibrierungs-Messung (Delay Calibration Measurement; DCM) eine absolute Genauigkeit von ±800 ps, so dass sich sämtliche Laufzeiten mit einer Toleranz von wenigen Nanosekunden berechnen lassen. Noch besser ist mit ca. 200 ps die Messauflösung. Der SCAN25100 kann dadurch selbst kleinste Laufzeitänderungen erfassen

Mehrantennen-Architekturen wie Transmit Diversity, AAS und MIMO können die Spektraleffizienz verbessern, setzen dafür aber eine exaktere Laufzeit-Kalibrierung voraus als traditionelle Antennen. Selbst wenn das Basisstations-Netzwerk nach der Installation mit Hilfe spezieller Prüfeinrichtungen präzise kalibriert wird, können Änderungen der Signallaufzeiten in den RRH-Lichtwellenleiter-Verbindungen während des normalen Betriebs dazu führen, dass das geforderte System-Timing nicht mehr eingehalten wird. Zum Beispiel kann eine Temperaturänderung von –40 auf +40 °C auf einer 15 km langen Single-Mode-Glasfaser eine Laufzeitänderung um ca. 37 ns bewirken, womit die Kalibriertoleranz der meisten RRHs bereits überschritten wird.

Da die Laufzeitmessung mit einer Auflösung von ca. 200 ps erfolgt, kann der SCAN25100 selbst kleinste Laufzeitänderungen auf den Lichtwellenleiter-Verbindungen zum RRH registrieren. Um diese Fähigkeit zu beweisen, führte National Semiconductor eigens ein Experiment durch: Eine Trommel mit einem 1 km langen Lichtwellenleiter wurde dazu in eine gut isolierte Kiste verpackt. Anschließend erhöhte man langsam die Temperatur von ca. 20 auf 45 °C, während der SCAN25100 die Signallaufzeit auf der Glasfaser überwachte. Die Versuchsergebnisse ergaben stets einen Koeffizienten von 31 ps/K/km (Bild 6), was gut mit den Erkenntnissen von Physikern im Bereich der Teilchenbeschleuniger übereinstimmt [7, 8, 9]. Mit der DCM-Funktion des Bausteins können Basisstationen eine hochgenaue Laufzeitkalibrierung erzielen und die Voraussetzungen für dezentrale Antennentechnologien schaffen.

HF-Funkmodule waren traditionell im Rack der Basisstation angeordnet und leiteten analoge Hochfrequenzsignale über verlustarme Koaxialkabel an die Antenne weiter. Anders ist es bei einem RRH-System (Remote Radio Head). Das Funkmodul wird hier an die Antenne verlagert und verwendet eine zuverlässige, verlustlose digitale Übertragungsstrecke zur Verbindung einer oder mehrerer RRHs mit einer zentralen Basisstation („Hotel“, Bild 2). Die digitale RRH-Verbindung ersetzt das teure Koaxialkabel zwischen Basisstation und Funkmodul. Man vermeidet hierdurch potentiell bis zu 3 dB an Kabeldämpfung und erzielt sogar noch einen größeren Gewinn bezüglich des Wirkungsgrads des HF-Leistungsverstärkers [4]. Remote-Radio-Einheiten können vernetzt werden, um die Kapazität und Abdeckung bei gleichzeitiger Minimierung des Platzbedarfs und der Mieten zu verbessern.

Die Remote-Radio-Einheiten sind in der Regel so kompakt und leicht, dass sie von einer Person installiert werden können, was die Kosten reduziert. Schnittstellenstandards für Remote-Radio-Einheiten wie zum Beispiel CPRI (Common Public Radio Interface) [5] und OBSAI (Open Base Station Standard Architecture Initiative) [6] verbessern die Wiederverwendbarkeit eines Designs im Interesse einer effizienteren Entwicklung des Funkteils, sodass den Betreibern mehr Auswahl und ein günstigeres Preisgefüge geboten werden kann. Der Betreiber kann die gewünschte Luftschnittstelle, Zahl und Frequenz der Träger sowie die Antennen-Konfiguration auswählen und die Funk-Einheit nach Bedarf aufrüsten. Auch können RRHs im Netzwerk verlagert werden, wenn der Kapazitätsbedarf wächst.

Aufgrund seiner kleinen Abmessungen lässt sich ein RRH auch dort installieren, wo sich konventionelle Basisstationen nicht oder nur mit unvertretbar hohen Kosten installieren lassen – beispielsweise auf Gebäuden, Lampenmasten oder Türmen. Da ein RRH erheblich weniger Leistung aufnimmt als eine vollwertige Basisstation, können Betreiber für die Installation in ländlichen oder unerschlossenen Gebieten auf Dieselgeneratoren, Windkraftanlagen oder Solarkraftwerke zurückgreifen, sofern eine CPRI- oder OBSAI-Verbindung zum jeweiligen Standort verlegt werden kann.

Remote Radio Heads ergänzen die Mehrantennen-Technologien und machen Schluss mit der festen räumlichen Bindung zwischen Antenne und Basisstation. Die Installation gewinnt an Flexibilität, die räumliche Diversifizierung wird größer, die Kapitalaufwendungen gehen zurück und die Effizienz des Funkteils verbessert sich. Die AAS-Technik etwa kann bezüglich der Anordnung der Antenne sehr sensibel sein: Der beste Anbringungsort muss sich nicht unmittelbar am Standort einer Basisstation befinden. Mit Hilfe der RRH-Architektur kann der Betreiber vielmehr die Platzierung der Antenne und die Einrichtung des Netzwerks problemlos optimieren.