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5G-Mobilfunk

Konformitätstests für Geräte und Basisstationen

4. Dezember 2019, 13:50 Uhr | Sheri DeTomasi

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Neue Funktionen, neue Testmethoden

5G NR stellt viele neue Funktionen vor, die die Komplexität der Tests erhöhen: der Betrieb mit höherer Frequenz, größere Kanalbandbreiten, eine flexible Wellenformstruktur und die zunehmende Anzahl von Testfällen. All das beeinflusst die Design-Tests. In FR1 liegen die größten Herausforderungen darin, Designs zu testen, die in Bändern zwischen 3 GHz und 7,1 GHz arbeiten, die neu für den kommerziellen Mobilfunk sind. Sie nutzen auch größere Bandbreiten und beinhalten auch massive MIMO. Im FR2 kommt zu den offensichtlichen Herausforderungen – noch höhere Frequenzen und noch größere Bandbreiten – noch die Notwendigkeit von OTA-Testmethoden hinzu. Darüber hinaus verfügt NR über einen Dual Connectivity Mode (NDC), in dem 5G- und LTE-Verbindungen gleichzeitig gepflegt werden müssen. All dies führt zu vielen neuen Herausforderungen für Entwickler von UEs und Basisstationen und hat große Auswirkungen auf die Testumgebung.

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Herausforderungen beim UE-Test

5G NR muss viele verschiedene Anwendungsszenarien abdecken. Sie reichen von sehr hohem Durchsatz über geringe Paketgröße bis hin zu sehr niedrigen Latenzen mit hoher Zuverlässigkeit. Um eine so große Vielfalt an Anwendungsfällen zu unterstützen, wurde die Bitübertragungsschicht von 5G NR mit hoher Flexibilität definiert. Das verändert die Art und Weise, wie Signale erzeugt und gesendet werden. Außerdem gibt es sieben verschiedene Optionen der Netzwerksystemarchitektur.

Ermöglicht werden sie durch die Verbindung zwischen bestehenden und neuen Kern- und RAN-Netzwerken. Um sicherzustellen, dass die Geräte und das Netzwerk in all diesen Anwendungsfällen korrekt funktionieren, müssen Tests durchgeführt werden. Dazu gehören Signalisierungs- und HF-Tests, inklusive Prüfung der vollständigen End-to-End-Leistung unter realistischen Beeinträchtigungen. Solche Beeinträchtigungen sind zum Beispiel übermäßiger Pfadverlust, Mehrwegeausblendung, Sperrsignalen und Delay-Spreads. Das Testen dieser Funktionen erfordert eine OTA-Testlösung, die Basisstationsprotokolle und Kanalbedingungen emulieren kann, um die tatsächliche Leistung von UEs zu verstehen.

Die zunehmende Anzahl von Testfällen, die während der Entwicklung für Konformitäts- und Geräteabnahmeprüfungen validiert werden müssen, erhöht direkt die Testkomplexität und die Testzeiten. Um das Risiko einer parallelen Entwicklung zu minimieren, kostspielige Nacharbeiten zu reduzieren und sicherzustellen, dass die Designs den sich ändernden 5G-NR-Anforderungen entsprechen, muss nach den neuesten Spezifikationen getestet werden. Dafür sind regelmäßige Updates der 5G-NR-Testsoftware zwingend.

Herausforderungen beim Testen der Basisstation

Die Dynamik des 5G-Beamsteerings und des Beamforming erfordert eine Validierung in einer OTA-Umgebung. Wichtige Aspekte wie Antennengewinn, Nebenkeule und Nulltiefe für den gesamten Bereich der 5G-Frequenzen und -Bandbreiten können einen großen Einfluss auf die Systemleistung haben. Insbesondere 3D-Antennenstrahlmessungen erhöhen die Komplexität des Tests.

Signale sind im Millimeter-Wellenlängenbereich anfälliger für Pfadverluste und Signalbeeinträchtigungen. Ein Testaufbau muss nicht allein auf höhere Frequenzen ausgelegt sein, sondern auch ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) aufweisen. Beim Testen von Sendern ist das SNR im Testanalysator entscheidend, um genaue Messungen der Fehlervektorgröße (Error Vector Magnitude, EVM) und der Abstrahlung in den Nachbarkanal (Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR) durchzuführen. Noch mehr gilt dies für Messungen bei Millimeterwellen.

Um das SNR in einer Empfänger-Testlösung zu verbessern, ist der Einsatz von Signalgeneratoren mit höherer Ausgangsleistung pro EVM und ACLR notwendig. Darüber hinaus ist die Kalibrierung auf Systemebene auch entscheidend für die Korrektur von Phasen- und Betragsverschiebungen auf Systemebene über die Bandbreite der Messung. Eine korrigierte Wellenform wird für Kanalantwortprobleme auf der Ebene des Prüflings (Device under Test, DUT) korrekt behandelt (siehe Bild 2).

Risiken und Auswirkungen

Wie gut wird das 5G NR RAN funktionieren? Werden Geräte einwandfrei von einer Basisstation zur anderen verbunden und eine doppelte Konnektivität mit 4G LTE gewährleisten? Werden Geräte, Basisstationen und das gesamte Ökosystem die wichtigsten Leistungsindikatoren (KPI) wie 20 GBps im Downlink (DL) für UHD-Videostreaming erfüllen? Werden sie die erwartete geringe Latenzzeit für fahrerlose Automobile bieten? Und werden sie die hohe Zuverlässigkeit bieten, die für Anwendungen erforderlich ist, bei denen keine Fehler auftreten dürfen? Dies sind nur einige der Fragen, über die Entwickler nachdenken müssen.

Produkte mit geringer Qualität können zu höheren Reparaturkosten, Rücklaufquoten und damit zu niedrigeren Marktanteilen und sinkenden Gewinnen für das Unternehmen führen. Ein Produkt, das mit einem leistungsschwachen Betriebsmodell, einem ineffizienten Prozess oder teuren Tests eingeführt wird, kann die Produktionsmenge verringern oder zu einer schlechten Produktqualität führen. Dies hat schwerwiegende Folgen für den Ruf und den Umsatz von OEMs in allen Branchen - Halbleiter, Kommunikation, Automobil oder Medizin.

Zusätzlich zu den Aktualisierungen von 5G NR Release-15 hat 3GPP bereits mit der Arbeit an Release-16 begonnen, wobei der Schwerpunkt auf neuen Arten von Diensten, Geräten, Bereitstellungsmodellen und Frequenzbändern liegt. Im Vordergrund stehen dabei Verbesserungen der ultrazuverlässigen Kommunikation mit niedriger Latenz (Ultra-reliable Low Latency Communications, URLLC) für das industrielle Internet der Dinge (IIOT), die Verwendung von nicht lizenzierten Bändern, die Vehicle-to-Everything-Kommunikation (V2X) sowie die Positionierung und Energieeffizienz der UE.

Unvollständige und sich weiterentwickelnde Ziele setzen die Entwickler unter erheblichen Druck, da sie sicherstellen müssen, dass ihre Designs und Tests flexibel genug sind, um zukünftige Anforderungen zu erfüllen. Designs und Testsysteme müssen auf neue höhere Frequenzbänder skaliert werden, möglicherweise mit höheren Kanalbandbreiten, und eine geringere Latenz und Koexistenz mit nicht lizenzierten Bändern implementieren.