Wireless Channel
Wireless Channel Sounding – auf der Suche nach Frequenzen für den Mobilfunk von morgen 5G, die nächste Generation des Mobilfunks, soll bis 2020 einsatzbereit sein. Um aber den geplanten signifikanten Leistungssprung gegenüber den heutigen Netzen möglich zu machen, bedarf es umfangreicher Voruntersuchungen. Frequenzband Frequenzbereich Wellenlängenbereich UHF (Ultra High Frequency) 300 MHz bis 3 GHz 1 dm bis 10 dm SHF (Super High Frequency) 3 GHz bis 30 GHz 1 cm bis 10 cm EHF (Extra High Frequency) 30 GHz bis 300 GHz 1 mm bis 10 mm Tabelle 1 und 2: Neue Spektren für die mobile Kommunikation (Quelle: ITU: Recommendation ITU-R V.431-7: Nomenclature of the Frequency and Wavelength Bands Used in Telecommunications Das Finden und Charakterisieren geeigneter Übertragungskanäle spielt dabei eine wichtige Rolle. 5G wird ganz neue Frequenzbänder bis in den Millimeterwellenbereich (d. h. jenseits von 30 GHz) für den kommerziellen Mobilfunk erschließen (siehe Tabelle 1 und 2). Der zweite wesentliche Aspekt ist die signifikante Erweiterung der Nutzsignalbandbreite. Diese neuen Kanäle müssen umfassend analysiert werden, um sie möglichst optimal nutzen zu können. Die wichtigste Methode zum Charakterisieren von Mobilfunkkanälen ist das Channel Sounding. Wie man hineinruft … … so schallt es nicht unbedingt wieder heraus. Zumindest dann nicht, wenn es um breitbandige Funksignale geht und zwischen Sender und Empfänger eine alles andere als perfekte Übertragungsstrecke liegt. Um unter diesen Umständen dennoch Hochleistungsfunk betreiben zu können, muss man die Eigenschaften der Strecke genau kennen. Deren Charakteristik liefert ein Channel Sounder. Channel Sounding bezeichnet ganz allgemein den Vorgang zur Bestimmung der Impulsantwort eines Übertragungskanals, insbesondere eines Mobilfunkkanals. Der Begriff entstand in Anlehnung an klassische akustische Messverfahren zur Bestimmung von Distanzen, zum Beispiel der Wassertiefe mit einem Echolot (Echo Sounding) [1]. ITU-Band X Ku K Ka Q U V E Frequenzbereich 8 GHz bis 12 GHz 12 GHz bis 18 GHz 18 GHz bis 27 GHz 27 GHz bis 40 GHz 33 GHz bis 50 GHz 40 GHz bis 60 GHz 50 GHz bis 75 GHz 60 GHz bis 90 GHz Die Kanalimpulsantwort (Channel Impulse Response, CIR) liefert eine komplexe, d. h. Betrag und Phase eines Signals einbeziehende und damit vollständige Information über den Einfluss des betrachteten Kanals auf ein Funksignal und eignet sich somit insbesondere zu seiner Charakterisierung. Den Funkkanal beeinträchtigende Einflüsse sind Signal-Echos durch Reflexionen, Verzerrungen durch Beugungsund Streueffekte, Abschattungen durch Gebäude und Bäume, aber auch wetterbedingte Auswir- Rohde & Schwarz www.rohde-schwarz.com Bild 1: Leistungsverzögerungsprofil (englisch PDP) einer zeitvarianten Kanalimpulsantwort 50 hf-praxis 11/2017
Wireless Bild 2: Prinzipieller Aufbau für die direkte Messung der Kanalimpulsantwort (ohne Verkabelung und Antennen) kungen wie Regen und Schnee. Bild 1 stellt exemplarisch das Betragsquadrat einer zeitvarianten Kanalimpulsantwort h(t, τ) dar, das sogenannte Leistungsverzögerungsprofil (Power Delay Profile, PDP). Über die Verzögerungsachse τ ist eine mögliche Mehrwegeausbreitung des Funksignals erkennbar. Die lokalen Maxima lassen auf starke, zeitverzögerte Echos und damit Reflektoren im Funkkanal schließen. Entlang der Zeitachse t erkennt man im Beispiel eine zeitliche Veränderung der Kanalimpulsantwort. Eine mögliche Ursache für eine solche Zeitvarianz sind zum Beispiel ein sich bewegender Empfänger oder allgemein sich ändernde Kanalbedingungen. An diesem Beispiel sind auch schon die wesentlichen Anforderungen an einen Channel Sounder erkennbar. Neben einer hohen Empfindlichkeit in den betrachteten Frequenzbereichen und Bandbreiten muss er schnell genug sein, um zeitliche Änderungen des Kanals zu erkennen. Andererseits muss er aber auch jede einzelne Kanalimpulsantwort lange genug messen, um den gesamten Verzögerungsbereich (Delay Spread) zu erfassen, und das mit einer möglichst hohen zeitlichen Auflösung und Messdynamik. Wie so häufig sind das zwei sich widersprechende Anforderungen, die nur mit einem Kompromiss erfüllt werden können. Der bestmögliche Kompromiss wiederum Bild 3: Exemplarische Messung eines Leistungsverzögerungsspektrums. Als Messstrecke diente das Atrium des Rohde & Schwarz- Schulungszentrums in München. Gemessen wurde bei 17 GHz mit einer 13-dBi-Hornantenne auf der Senderseite (am R&S SMW200A) und einer omnidirektionalen Breitbandantenne auf der Empfangsseite (am R&S FSW43), übrigens eine typische Antennenwahl für Channel-Sounding-Messkampagnen. Hervorstechend sind die Reflexionen durch Boden und Decke des Gebäudes hf-praxis 11/2017 51
