Drahtlose Kommunikationssysteme 5G, Satellit und Wi-Fi: Komplexes Design und skalierbare Tests

Ein Gastbeitrag von Eric Hsu*

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Mehr Bandbreite für höhere Datendurchsätze und niedrigere Latenzen: Das Tempo der drahtlosen Kommunikationsübertragung nimmt zu. Doch nicht nur GSM-Netze für die Mobilfunkkommunikation werden ausgebaut, sondern auch die Satellitenkommunikation. Damit einher gehen Design und Test der Hardware.

Für den Test und Design von Hochfrequenzkomponenten bei 5G, Wi-Fi und Satelliten-Kommunikation ist skalierbare Hardware notwendig.
Für den Test und Design von Hochfrequenzkomponenten bei 5G, Wi-Fi und Satelliten-Kommunikation ist skalierbare Hardware notwendig.
(Bild: Keysight Technologies)

Die Mobilfunkkommunikation steigt von 4G auf 5G um, damit sich mehr Daten bei geringerer Latenz übertragen lassen. Parallel dazu bauen die Anbieter von Satellitenkommunikation Netzwerke im Weltraum auf, um damit die schnelle Kommunikation von jedem Ort auf der Erde aus zu ermöglichen. Dabei kommt es auf hohen Datendurchsatz, Stabilität der Verbindungen und die Verarbeitung der Daten zu maximieren. Die wichtigsten technologischen Komponenten der Bitübertragungsschicht von Wireless-Systemen sind größere Bandbreiten, Modulationsverfahren höherer Ordnung und Mehrantennentechniken.

Aufgrund der begrenzten Frequenzzuordnung sind Standardisierungs-Organisationen auf der Suche nach weiteren Bandbreiten in höheren Frequenzbändern. 5G New Radio (NR) Release 15 spezifiziert zum Beispiel den Frequenzbereich 2 (FR2) von 24,25 GHz bis 52,6 GHz und eine maximale Kanalbandbreite von 400 MHz. Mit dem Release 16 wird ein unlizenziertes Frequenzband in den Bereichen 5 GHz und 6 GHz eingeführt. Bis Mitte 2022 wird 3GPP Release 17 den Frequenzbereich für unlizenzierte Bänder auf bis zu 71 GHz erweitern.

Satellitenkommunikation und eine größere Bandbreite

Die Satellitenkommunikation bietet Verbindungsmöglichkeiten für eine Vielzahl von Dienstleistungen: Fernsehen, Telefon und Breitband-Internet sowie für die militärische Kommunikation. Satelliten arbeiten in unterschiedlichen Frequenzbändern: vom L- bis zum Ka-Band. Die International Telecommunication Union (ITU) weist das Segment 71 bis 76 GHz und 81 bis 86 GHz des W-Bandes für Satellitendienste zu. Diese Frequenzsegmente sind für kommerzielle Satellitenbetreiber wegen der größeren Bandbreiten von zunehmendem Interesse. Am 30. Juni 2021 wurde ein Satellit mit einem W-Band-Funksender erfolgreich gestartet; weitere kommerzielle Projekte im W-Band sind in absehbarer Zeit zu erwarten.

Millimeterwellen-Frequenzbänder bieten mehr verfügbare Bandbreiten. Große Bandbreiten ermöglichen einen hohen Datendurchsatz und niedrige Latenzzeiten. Allerdings haben größere Bandbreiten auch Nachteile. Sie führen zu mehr Rauschen, das die Systemleistung beeinträchtigt. Entwickler von Wireless-Anwendungen müssen das Rauschproblem bei der Breitbandkommunikation in den Griff bekommen. Größere Bandbreiten in höheren Frequenzbändern führen nicht nur zu mehr Systemrauschen. Das sind beispielsweise Probleme beim Design und Test wie Pfadverlust, Frequenzgang und Phasenrauschen.

Modulationsverfahren höherer Ordnung

Bild 1: Für den Test und Design von Hochfrequenzkomponenten ist skalierbare Hardware notwendig.
Bild 1: Für den Test und Design von Hochfrequenzkomponenten ist skalierbare Hardware notwendig.
(Bild: Keysight Technologies)

Mit einem Modulationsverfahren höherer Ordnung sind größere Datenraten möglich, ohne die Signalbandbreite zu erhöhen. Dazu notwendig sind engere Symbole, die empfindlicher auf Rauschen reagieren. Die verwendeten Geräte benötigen eine bessere Modulationsqualität, wenn die Modulationsdichte zunimmt. In der folgenden Tabelle sind die EVM-Anforderungen (Error Vector Magnitude) für 5G NR-Basisstationen dargestellt, die in der technischen Spezifikation 38.141 des 3GPP Release 16 definiert sind. In Erwägung gezogen wird die Einführung von 1.024 QAM für 3GPP, was wiederum engere Design- und Testspannen erfordert.

Modulationsverfahren Erforderliche EVM (in Prozent)
QPSK 18,5
16 QAM 13,5
64 QAM 9,0
256 QAM 4,5

Sowohl größere Signalbandbreiten als auch Modulationsverfahren höherer Ordnung erhöhen den Durchsatz. Mehr Bandbreite bedeutet nicht unbedingt mehr Systemkapazität. Im Kommunikationssystem muss das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) berücksichtigt werden. Ein angemessenes SNR ist entscheidend für die Aufrechterhaltung von Kommunikationsverbindungen.

Größere Bandbreiten bringen mehr Rauschen in das System, und Modulationsverfahren höherer Ordnung sind anfälliger für Rauschen. Um die Kommunikationsverbindungen aufrechtzuerhalten, muss ein Signal mit hoher Leistung ohne Verzerrung übertragen und das Systemrauschen reduziert werden. Für den Test eines Designs ist eine genaue Charakterisierung jeder Komponente und jedes Teilsystems erforderlich (Bild 1).

Der Einfluss von Mehrantennen-Techniken

Bild 2: Eine MIMO-Testkonfiguration (Multiple-Input Multiple-Output) einer 5G-Basisstation für zwei Sendeantennen und vier Empfängerantennen mit hybrider automatischer Wiederholungsanforderung (HARQ).
Bild 2: Eine MIMO-Testkonfiguration (Multiple-Input Multiple-Output) einer 5G-Basisstation für zwei Sendeantennen und vier Empfängerantennen mit hybrider automatischer Wiederholungsanforderung (HARQ).
(Bild: Keysight Technologies)

Die meisten Wireless-Systeme für kommerzielle Anwendungen, in der Luft- und Raumfahrt oder in der Verteidigung, verwenden Techniken mit mehreren Antennen am Empfänger, am Sender oder an beiden. Damit wird die Gesamtleistung des Systems verbessert. Zu diesen Techniken gehören räumliche Diversität, räumliches Multiplexing und Beamforming. Entwickler verwenden Mehrantennentechniken, um Diversität, Multiplexing oder Antennengewinne zu erzielen.

Dank der Signalverstärkung können Wireless-Systeme den Datendurchsatz und den SNR eines Empfängers erhöhen. 5G NR verwendet beispielsweise acht räumliche Streams für FR1, um die spektrale Effizienz zu verbessern, ohne die Signalbandbreite zu erhöhen. Daher definiert 3GPP in der Technischen Spezifikation (TS) 38.141-1 Leistungstests mit mehreren räumlichen Streams für 5G NR-Basisstationen.

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Für die Tests sind bis zu zwei Sendeantennen und acht Empfängerantennen erforderlich, und für jeden Testfall gelten spezifische Ausbreitungsbedingungen, Korrelationsmatrix und SNR. Bild 2 zeigt eine MIMO-Testkonfiguration (Multiple-Input Multiple-Output) einer 5G-Basisstation für zwei Sendeantennen und vier Empfängerantennen mit hybrider automatischer Wiederholungsanforderung (HARQ).

Im Vergleich zu IEEE 802.11ax bietet der Wi-Fi-Standard der nächsten Generation, IEEE 802.11be (Wi-Fi 7), die doppelte Signalbandbreite, 16 räumliche Streams und die vierfache Dichte des Modulationsverfahrens. Zusammen ermöglicht das Datenraten von bis zu 40 GBit/s. Die Tabelle veranschaulicht die wesentlichen Änderungen in der IEEE 802.11 Bitübertragungsschicht.

IEEE 802,11-Standard Maximale Signalbandbreite [MHz] Modulationsverfahren Anzahl der räumlichen Streams
802.11be (Wi-Fi 7) 320 OFDM, bis 4.096 QAM bis zu 16
802.11ax (Wi-Fi 6) 320 OFDM, bis 1.024 QAM bis zu 8

Bild 3: Eine vollständig integrierte, kalibrierte und synchronisierte Lösung zur Signalerzeugung und -analyse, mit der sich die Messunsicherheit bei Mehrantennentests minimieren lässt.
Bild 3: Eine vollständig integrierte, kalibrierte und synchronisierte Lösung zur Signalerzeugung und -analyse, mit der sich die Messunsicherheit bei Mehrantennentests minimieren lässt.
(Bild: Keysight Technologies)

Der Test von Mehrantennensystemen, die räumliche Diversität, räumliches Multiplexing und mehrere Antennen-Arrays, erfordert ein Testsystem, das in der Lage ist, mehrkanalige Signale mit stabilen Phasenbeziehungen zwischen ihnen zu liefern. Ein handelsüblicher Signalgenerator verfügt jedoch über einen unabhängigen Synthesizer, der ein Zwischenfrequenzsignal (IF) in ein HF-Signal hochkonvertiert. Ein Testsystem muss eine präzise zeitliche Synchronisation zwischen den Kanälen gewährleisten, um die mehrkanaligen Testsignale zu simulieren. Die Phase zwischen den Testsignalen muss kohärent und kontrollierbar sein. Bild 3 zeigt eine vollständig integrierte, kalibrierte und synchronisierte Lösung zur Signalerzeugung und -analyse, mit der sich die Messunsicherheit bei Mehrantennentests minimieren lässt.

Auswirkungen von höheren Frequenzen auf den Test

Für Wireless-Kommunikationssysteme wie 5G, Satellit und Wi-Fi sind höhere Frequenzen, größere Bandbreiten, komplexere Modulation und Mehrantennen-Designs notwendig. Allerdings setzt das neue Ansätze beim Design mobiler Geräte voraus und auch der Test muss überdacht werden. Schließlich werden die Hardwaretests komplexer, Messunsicherheiten erhöhen sich und ein ein übermäßiger Pfadverlust sowie Rauschen wirken sich auf die Geräte aus. Notwendig ist eine skalierbare Testlösung, die eine höhere Frequenzabdeckung, größere Bandbreiten und mehrkanalige Anwendungen mit einfacher Bedienung und hoher Genauigkeit ermöglicht.

* Eric Hsu ist derzeit Produktmarketing-Manager bei Keysight Technologies. Er hat über 18 Jahre Erfahrung mit Wireless-Anwendungen bei Keysight (ehemals Agilent Technologies).

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