Charakterisierung von Funkschnittstellen für 5G

Bild 1: Keysights Testsystem eignet sich vielfältig für die Entwicklung einer Signalübertragung per 5G-Mobilfunk. Keysight

Für die Mobilfunknetze der 5. Generation sind anspruchsvolle Ziele gesetzt: größere Netzkapazität, höhere Datenraten und eine zuverlässigere Funktion. Viele dieser Ziele sind im heute genutzten Frequenzbereich unterhalb von 6 GHz nicht erreichbar, ins­beson­dere eine Verzehn-, Verhundert- oder gar Vertausendfachung der Netzleistung. Daher untersucht man nun neue Funkschnittstellen im Zentimeter- oder gar Millimeterwellenbereich (mmWave) bis zu 100 GHz. Die Charakterisierung eines Funkkanals im Millimeterwellenbereich stellt Messingenieure vor etliche neue Herausforderungen. Der vorliegende Artikel benennt einige dieser Herausforderungen und zeigt auf, wie man diese angehen kann.

Den Funkkanal modellieren

Für die Definition neuer Funkschnittstellen müssen Funkkanäle zunächst charakterisiert werden, woraus im Detail hervorgeht, wie sich ein Funksignal in einem solchen Kanal fortpflanzt. Man separiert hierzu den Funkkanal und sammelt Daten über die Impulsantwort (CIR, Channel Impulse Response). Aus diesen lassen sich mit geeigneten Algorithmen die Kanalparameter ermitteln, mit dessen Hilfe dann rechnerische Kanalmodelle entwickelt werden können. Bild 2 verdeutlicht schematisch diesen Arbeitsablauf. Das Verfahren klingt ganz einfach und naheliegend, oder? In der Realität ist es dann leider nicht ganz so einfach.

Bild 2: Arbeitsablauf zur Modellierung eines Funkkanals – Kanalsondierung, Schätzen von Parametern und Statistik. Keysight

Je nachdem, welcher Parameter ermittelt werden soll, kann ein Messsystem zur Kanalsondierung einfach oder kompliziert aufgebaut sein. Zum Ausmessen von zeitveränderlichen Kanälen mit Mehrwegeübertragung muss man die komplexe Impulsantwort mit ihrer Zeit- und Phaseninformation verstehen. Eine zweite wesentliche Herausforderung ist es, Messergebnisse unter gleichen Bedingungen auch mit anderen Messsystemen reproduzieren zu können (und auf diese Weise zu bestätigen).

Wesentliche Anforderungen hierbei sind die Signalerzeugung und -analyse im Milli­meter­wellen-Frequenzbereich mit einer Bandbreite von mehr als 500 MHz und mit mehreren Kanälen, die Datenerfassung und -speicherung, das Schätzen der Kanalparameter sowie die Kalibrierung und Synchronisation.

In den folgenden Abschnitten werden Überlegungen vorgestellt, wie man diese Aufgaben angehen kann.

Signalerzeugung und -analyse

Um die hohen Anforderungen für 5G zu erfüllen, werden die Funkschnittstellen möglicherweise Millimeterwellenfrequenzen bis 100 GHz mit Bandbreiten von 500 MHz bis 2 GHz und Mehrkanalübertragung unterstützen. Dabei sind viele Details zu berücksichtigen, was an ein Messsystem zur Kanalsondierung hohe Ansprüche stellt. Zu den Anforderungen zählen reproduzierbare Messergebnisse wie auch leistungsfähige D/A- und A/D-Wandler. Der D/A-Wandler steckt im Arbiträrsignalgenerator für das Basisband, der A/D-Wandler im Eingang des Digitizers oder Oszilloskops. Zusammen müssen sie die nötige Bandbreite mit hinreichender Auflösung liefern, um den Dynamikbereich abzudecken, der für eine korrekte Erfassung des Signals notwendig ist. Die Normen für den Funkstandard 5G sind bisher noch nicht verabschiedet. Die bei der Entwicklung eingesetzten Messgeräte müssen daher hinreichend flexibel sein, um sich passend zur Fortentwicklung der Normen und den zugehörigen Testanforderungen konfigurieren zu lassen.

Datenerfassung und -speicherung

Im Hinblick auf die Erfassung und Speicherung der Daten einer solchen Messung sollte man sich zunächst die Größenordnungen vor Augen führen, denn bei einer achtkanaligen Messung mit 1 GHz Bandbreite fallen pro Sekunde mehrere Gigabyte Rohdaten an, wodurch die Kapazität eines Speichers schnell erschöpft ist.

Die nächste Überlegung gilt der Datenübertragung vom A/D-Wandler zum Speichersystem: Es ist praktisch unmöglich, Daten in Echtzeit zu erfassen und abzuspeichern. Ein Festplattenhersteller mag eine solche Feststellung vielleicht gern lesen, weil er gern mehr Laufwerke verkaufen will, aber eine Speicherung derartiger Datenmengen ist schlicht unsinnig. Damit stellt sich die Frage nach einer geeigneten Reduzierung der großen Menge an gesammelten Daten.

Ist das Messsignal kürzer als eine Übertragungsperiode, sollten nur effektive Daten oder die  für eine Berechnung der Impulsantwort des Kanals erforderlichen Signalinhalte erfasst werden. Diese Methode reduziert das zu speichernde Datenvolumen ganz erheblich.

Es geht noch einen Schritt weiter, denn die Autokorrelation und die Berechnung der Impulsantwort des Kanals lassen sich in Echtzeit im Messsystem durchführen. Dann sind nur noch die Resultate dieser Berechnung abzuspeichern, was den Speicherbedarf erheblich senkt und die Ergebnisse für die Impulsantwort viel schneller liefert.

Schätzen der Kanalparameter

In der frühen Funktechnik handelte es sich bei der Untersuchung eines Funkkanals um ein einzelnes Signal, das auf einem Weg vom Sender zum Empfänger lief. In einem MIMO-Kanal aber werden mehrere Signale auf mehreren Wegen und mit einer zeitlichen Korrelation untereinander übertragen. Weiterhin kommen bei MIMO räumliche Parameter wie Abstrahlrichtung (AoD, Angle of Departure), Einfallsrichtung (AoA, Angle of Arrival) und Abstrahlwinkel (AS, Angular Spread) hinzu. Es gibt mehrere Algorithmen, welche die Kanalparameter ermitteln können. Sie gehen von der Strahlformung, von Teilräumen oder von der größten Wahrscheinlichkeit (ML, Maximum Likelihood) aus. Das letztgenannte Verfahren liefert für die Schätzung von Parametern eines MIMO-Kanals bezüglich Konsistenz, Kohärenz und Schätzleistung das beste Ergebnis. In der Branche ist speziell der SAGE-Algorithmus weit verbreitet. Bei diesem Verfahren wird im Verhältnis wenig Rechenleistung gebraucht.

Bild 3: Für eine präzise Synchronisation zwischen Sender und Empfänger und eine genaue Triggerung der Datenerfassung arbeitet das Messsystem mit Rubidium-Normalen. Damit sind Signalerzeugung und Signalerfassung präzise zeitlich aufeinander abgeglichen. Keysight

Kalibrierung und Synchronisation

Für genaue und reproduzierbare Messergebnisse sind Kalibrierung und Synchronisation des Übertragungssystems ganz entscheidend. Die Synchronisation von Sender und Empfänger lässt sich mit zwei Rubidium-Frequenznormalen erreichen, die den Sender und den Empfänger mit einem stabilen, hochgenauen Referenztakt von 10 MHz versorgen. Weiterhin  ist eine Triggerung erforderlich, um das Stimulussignal und die Datenerfassung zu synchronisieren.

Bei einem Millimeterwellen-Messsystem wie in Bild 3 müssen mehrere Kalibrierungen berücksichtigt werden. Bei der Systemkalibrierung, auch Back-to-Back-Kalibrierung genannt, werden Sender und Empfänger direkt miteinander verbunden und so Frequenzreferenz und Systemtakte miteinander synchronisiert. Daraus resultieren genaue Werte für Amplitude, Phase und Ankunftszeit.

Als nächstes können die symmetrischen IQ-Ausgänge eines Arbiträrsignalgenerators im Basisband Zeit-, Amplituden- und Quadraturfehler aufweisen, die die Signalqualität beeinträchtigen. Mit einer IQ-Kalibrierung gleicht man den Amplitudenunterschied zwischen der phasengleichen und der Quadraturkomponente des Ausgangssignals des Arbiträrsignalgenerator aus.

Mehrkanalige Breitband-Digitizer oder Oszilloskope können Zeit- oder Phasenunterschiede zwischen den einzelnen Kanälen aufweisen, die die Messergebnisse verschlechtern. Derlei Unterschiede lassen sich über mehrere Methoden messen. Eine Möglichkeit ist die Ermittlung der Amplituden- und Phasenunterschiede über einen großen Frequenzbereich und eine Kompensation dieser mit einem breitbandigen Korrekturfilter.

Auch die Sendeleistung und die Antennen müssen kalibriert werden. Die Antennendaten liefert normalerweise der Hersteller im Datenblatt, andernfalls kann man diese Werte selbst in einer Mikrowellenmesskammer ermitteln. Hierzu wird das Phasenmuster eines Antennenarrays gemessen und  mit den theoretischen Eigen­schaften des Antennenarrays verglichen.

Ein umfangreiches Testsystem

Die Charakterisierung neuer Millimeterwellen-Funkschnittstellen für 5G stellt Messingenieure vor etliche neue Aufgaben. Messsysteme für zeitvariable Kanälen mit Mehrwegeübertragung können recht komplex werden; ihre Komponenten unterstützen Millimeterwellen, breitbandige Signale und mehrere Kanäle. Weiterhin erforderlich für genaue und reproduzierbare Messungen sind eine gute Kalibrierung und Synchronisation sowie passende moderne Algorithmen zur Schätzung der Kanalparameter, damit realistische und genaue Kanalmodelle entwickelt werden können.

Mehr Informationen zum Thema „solution 5G sounding“ finden Sie auf der Keysight Webseite.

(jwa)