HF-Tests von Wi-Fi7 und 5G Extended Reality in der Industrie und die passende Funktechnik

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Extended Reality hat den Sprung aus der Spielewelt in industrielle und kommerzielle Anwendungen geschafft. Doch die nächste Generation von XR-Brillen stellt hohe Anforderungen an die Funktechnik. Welche HF-Tests für welche Funkstandards notwendig sind.

Extended Reality (XR) ist ein Sammelbegriff für verschiedene Techniken wie Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) und Mixed Reality (MR). Der Begriff hat sich von der Spielewelt auf industrielle und kommerzielle Anwendungen ausgeweitet. In Industrie und Handel wird XR für Training, Lernen, Simulationen, Fernüberwachung, Wartung oder Reparatur eingesetzt. Für XR wird bis 2028 ein jährliches Wachstum von 20 bis 30 Prozent erwartet. Global Information prognostiziert in seinem „Extended Reality Global Market Report 2023“, dass der XR-Markt bis 2027 um durchschnittlich 29,1 Prozent pro Jahr (CAGR) auf 123,77 Mrd. US-Dollar wachsen wird.

Bei AR werden Bilder der realen Welt mit computergenerierten Bildern und Videos überlagert. AR wird mit Smartglasses (Datenbrillen) oder Smartphones genutzt und erlaubt keine Manipulation der überlagerten Inhalte, die in den meisten Fällen statisch sind. Eine typische AR-Anwendung ist die Wartung von Anlagen und Geräten. Hier kann der Bediener über die Datenbrille eine Anleitung sehen, mit beiden Händen arbeiten und die Anlage im Blick behalten. Auch das Head-up-Display (HUD) in Fahrzeugen gilt als eine Art AR-Gerät.

Mixed Reality kombiniert reale Welt mit virtuellen Objekten

Bei der virtuellen Realität taucht der Nutzer in einen computergenerierten virtuellen Raum ein und benötigt eine VR-Brille, welche die reale Welt oft ausblendet. In diesem virtuellen Raum kann der Benutzer mit Figuren und Objekten interagieren. Ein Beispiel ist das Building Information Modeling (BIM), bei dem 3D-Modelle in allen Bauphasen für Planung, Vermessung, Entwurf, Konstruktion, Verwaltung und Instandhaltung verwendet werden.

Mixed Reality (MR) kombiniert die reale Welt mit virtuellen Objekten wie Menüs und Figuren. Die interaktive Technik erfordert den Einsatz spezieller MR-Brillen, die Gestenerkennung unterstützen. Das können beispielsweise virtuelle Berühren eines in der Luft dargestellten Menüs sein. Die von MR erzeugten 3D-Grafiken eignen sich für die Bedienerführung an einer Fertigungsstraße oder für die Zusammenarbeit von Projektmitgliedern, die Informationen über Form und Design eines Produkts austauschen müssen. Um die Ausbildung und die Arbeitseffizienz zu verbessern, wird MR zunehmend in der Fertigung, Wartung und Reparatur eingesetzt, da es 3D-Darstellungen von Komponenten und Arbeitsabläufen ermöglicht. Darüber hinaus kann das Know-how erfahrener Mitarbeiter in ein System integriert werden. Bild 1 fasst die wichtigsten Aspekte dieser Techniken zusammen.

Besserer Datendurchsatz bei der Funkkommunikation

XR-Geräte müssen in Echtzeit auf Benutzeraktionen und -eingaben reagieren, einschließlich 3D-Videoinhalten, was zu hohen Latenzanforderungen führt. Eine Methode zur Verringerung der Latenz besteht darin, unkomprimierte Videodaten vom Hostsystem zu senden und das Video dann unverändert auf dem XR-Gerät anzuzeigen. Die Verbesserung des Datendurchsatzes in der physikalischen Schicht (PHY) der Funkkommunikation stellt eine Herausforderung dar, insbesondere wenn XR-Geräte große Mengen unkomprimierter Daten wie Video- und 3D-Grafikinhalte senden und empfangen sollen.

So sieht der Standard WLAN 5 oder IEEE 802.11ac einen maximalen Datendurchsatz von 6,9 GBit/s vor, was nur knapp über den 6 GBit/s liegt, die für stereoskopische XR-Geräte mit unkomprimierten Daten erforderlich sind. Neuere Standards wie WLAN 6/6E (11ax) bieten einen maximalen Datendurchsatz von 9,6 GBit/s. Darüber hinaus bietet Wi-Fi 7 (11be) einen theoretischen maximalen Datendurchsatz von 46 GBit/s. In der Praxis ist der tatsächliche Datendurchsatz in der Regel deutlich geringer als der theoretisch maximal mögliche.

Problem der hohen Integrationsdichte in XR-Geräten

Ebenfalls problematisch ist die Koexistenz von Funktechniken und die hohe Integrationsdichte in den XR-Geräten. XR-Geräte verfügen über mehrere Funkschnittstellen, einschließlich WLAN und Bluetooth, um 3D-Grafiken und Bewegungssensordaten zu übertragen. Darüber hinaus werden auch 5G-NR-Techniken mit eMBB, mMTC und URLLC für den Einsatz in XR in Betracht gezogen. 5G-NR wird für zukünftige XR-Geräte unerlässlich sein, heißt es. Sollen verschiedenen Funktechniken in einem Gerät koexistieren, müssen Entwickler von XR-Geräten das Rauschen und die Funkinterferenzen in den Griff bekommen.

Bei XR-Geräten ist eine hohe Dichte an Funkmodulen auf engstem Raum notwendig. Darüber hinaus sind Störquellen wie Stromversorgungen, Signalverarbeitung, Lüfter und Motoren in einem kleinen Gehäuse in der Nähe des Kommunikationsmoduls untergebracht. Die daraus resultierenden Störungen können die Fehlerrate bei der Kommunikation erhöhen, die Kommunikationsgeschwindigkeit verringern und zu Datenverlusten führen. Außerdem müssen landesspezifische und regionale Vorschriften für die Funknutzung sowie die Einhaltung aller relevanten Standards wie 3GPP und IEEE berücksichtigt werden.

Wie sich eine leistungsfähige Funkverbindung sicherstellen lässt

Folgende Tests zur Leistungsfähigkeit der Funkverbindung sind entscheidend für Entwickler, die sich den genannten technischen Herausforderungen stellen:

• Funksignalstärke,

• Signalqualität wie Empfangsempfindlichkeit und Modulationsgenauigkeit sowie

• Stabilität.

So bewertet das Wireless-Connectivity-Testset von Anritsu die TRx-HF-Eigenschaften wie Sendeleistung (Tx), Empfangsempfindlichkeit (PER) und Modulationsgenauigkeit (EVM) für IEEE-802.11a/b/g/n/ac/ax/be-Systeme (2,4-; 5- und 6-GHz-Bänder). Der MT8862A unterstützt den Netzwerk- und Direktmodus. Der Netzwerkmodus ist eine Besonderheit des MT8862A und zum Testen der Funkleistungsindizes verwendet. Er simuliert direkt eine reale Netzwerkverbindung und stellt die Funkverbindung zwischen dem DUT und dem MT8862A her, der als Access Point (AP) oder Station (STA) fungiert. Der Netzwerkmodus bietet eine benutzerfreundliche Testumgebung, die keine Steuerung des Prüflings erfordert, und ist für die Produktentwicklung, Designvalidierung und Endproduktverifizierung geeignet. Der Direktmodus hingegen eignet sich für die Prototypenerstellung und Produktentwicklung, da der MT8862A schnelle Messungen unterstützt, während das DUT direkt von einem externen PC gesteuert wird und für die Serienfertigung optimiert ist.

HF-Testanwendung nach Industriestandard

Bluetooth wird häufig für die Kommunikation zwischen XR-Geräten und Controllern verwendet und muss die HF-Leistungsanforderungen der Bluetooth SIG erfüllen. Das Bluetooth MT8852B Test Kit von Anritsu ist eine von der Bluetooth SIG zertifizierte HF-Testanwendung nach Industriestandard. Das Set ermöglicht Produktionstests für eine Vielzahl von Produkten, die Bluetooth integrieren. Es unterstützt Messungen von Basic Rate (BR), Enhanced Data Rate (EDR) und Bluetooth Low Energy (BLE) für Sendeleistung, Frequenz, Modulation und Empfängerempfindlichkeit, wie in den Bluetooth-HF-Testspezifikationen gefordert.

Die HF-Leistung in 5G NR kann mit der MT8000A Radio Communication Test Station evaluiert werden. Die Testplattform unterstützt HF-Messungen sowie Protokoll- und Applikationstests in den Frequenzbändern FR1 mit Frequenzen bis 7,125 GHz und FR2 (Millimeterwellen). Der MT8000A ermöglicht Millimeterwellen-HF-Messungen sowie Beamforming-Tests unter Verwendung der 3GPP-spezifizierten Rufverbindungen.

Fazit: XR-Technik im Zusammenspiel mit Funktechniken

Die XR-Technik entwickelt sich so schnell wie die Funktechnik, auf der sie basiert. Die nächste Generation von XR-Brillen wird eine niedrige Latenz von wenigen Millisekunden benötigen. Um das in 5G-Netzen und darüber hinaus zu erreichen, wird der Einsatz von Multi-Access-Edge-Computing (MEC) erwogen, bei dem Daten auf Edge-Servern in der Nähe des XR-Geräts verarbeitet werden, ohne auf die Cloud zurückzugreifen.

Es ist wichtig, die Leistung der beteiligten Funksysteme zu testen, um die Entwicklung von XR zu erleichtern und die nächste Generation von Geräten auf den Markt zu bringen. Zu diesem Zweck bietet Anritsu eine breite Palette von Testkits an, die Entwicklern die erforderlichen Testfunktionen für aktuelle und zukünftige Funktechnologien zur Verfügung stellen. Von besonderer Bedeutung für XR ist die Einführung von Wi-Fi 6/6E und Wi-Fi 7. Längerfristige Fortschritte beim Mobilfunkstandard 5G und perspektivisch 6G dürften die Kommunikation ebenfalls erheblich verbessern. (heh)

Breitband-Kommunikation

Leistungsoptimierung für HF-Verstärker

Hohe Datenraten und komplexe Modulationsverfahren

HF-Signale bei drahtlosen Systemen charakterisieren

* Tomohide Yamazaki ist Assistant Manager bei Anritsu.

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