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6-2019

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Wireless Bits-to-Beams:

Wireless Bits-to-Beams: Technologieentwicklung für 5G-Millimeterwellen-Funksysteme, Teil 1 Als die Mobilfunkbranche mit der Entwicklung der fünften Mobilfunkgeneration (5G) begann, schien 2020 in weiter Ferne. Inzwischen befindet sich 2020 in greifbarer Nähe und wird mit Gewissheit den Beginn des 5G-Jahrzehnts einläuten. Autor: Dr. Thomas Cameron Analog Devices www.analog.com Bild 1: 5G-Millimeterwellen-Einsatzszenarien Fast täglich berichtet die Presse über neue Feldversuche sowie kommende kommerzielle 5G-Rollouts und bescheinigt damit der Mobilfunkbranche eine sehr spannende Zeit. Viele Herausforderungen Momentan liegt der Schwerpunkt der Branche bei 5G auf der Anwendungskategorie Enhanced Mobile Broadband (eMBB), die eine extrem hohe Datenrate zur Verfügung stellt und Dienste mit hohen Bandbreiten unterstützt. Dabei sind Beamforming-Techniken für unterschiedliche Frequenzbänder im Midband (3,4 bis 3,7 GHz) und im Highband (28 GHz) nötig. Auch entstehen erste Anwendungsfälle, zum Beispiel die Industrieautomation, welche von der geringen Latenz der 5G-Netzwerkarchitektur profitieren. Erst vor wenigen Jahren diskutierte die Branche über die Möglichkeit, das Spektrum im Millimeterwellenbereich für den Mobilfunk zu nutzen und die Herausforderungen für Entwickler von Funksystemen zu umreißen1. In kurzer Zeit ist sehr viel geschehen und die Mobilfunkbranche hat sich von ersten Prototypen hin zu erfolgreichen Feldversuchen rasant entwickelt. Heute steht die Mobilfunkbranche kurz vor den ersten kommerziellen Einsätzen von 5G im Millimeterwellenbereich. Viele der ersten Implementierungen sind feste oder ortsungebundene Funkanwendungen. Darüber hinaus wird es in naher Zukunft jedoch auch echte mobile Connectivity bei Frequenzen im Millimeterwellenbereich geben. Die ersten Standards sind vorhanden und die Technologie entwickelt sich schnell. Zudem ist viel Wissen in den Einsatz von Millimeterwellensystemen eingeflossen. Trotz großer Fortschritte müssen Entwickler von Funksystemen auch zukünftig viele Herausforderungen meistern. Einige Herausforderungen für HF-Entwickler erläutert der folgende Beitrag. Er hat drei Schwerpunkte. Im ersten Teil wird auf einige der vorrangigen Einsatzfälle für die Millimeterwellenkommunikation eingegangen und die anschließende Analyse vorbereitet. Der zweite und dritte Teil widmet sich den Architekturen und der Technologie für auf Millimeterwellen basierte Basisstationssysteme. Der zweite Teil erörtert Technologie für die Beamformer und erläutert, wie die erforderliche Übertragungsleistung die Wahl der Technologie für das System- Frontend beeinflusst. Obwohl der Beamformer in der Presse weitgehend im Fokus 26 hf-praxis 6/2019

Wireless Linkbudget 200-m-Verbindung bei 28 GHz/800 MHz Bandbreite steht, gibt es einen ebenso wichtigen Teilbereich des Funksystems, die Umwandlung der Bits in Millimeterwellenfrequenzen (Bits to Millimeter Wave Frequency). Vorgestellt wird hier ein Signalkettenbeispiel für diesen Systemteilbereich. Zusätzlich werden neue Bauteile von Analog Devices für diesen RF- Bereich vorgeschlagen, die Entwickler von Funksystemen dafür nutzen können. Einsatzszenarien und Ausbreitung Bei der Entwicklung von Technologie ist es wichtig, deren späteren Einsatz zu verstehen. Alle Entwicklungsaufgaben erfordern Kompromisse und mit entsprechendem Knowhow können kreative Innovationen entstehen. Bild 1 zeigt zwei Szenarien im 28- und 39-GHz-Spektrum. Bild 1a veranschaulicht den Einsatzfall eines drahtlosen Teilnehmeranschlusses (Fixed Wireless Access, FWA), bei dem versucht wird, Haushalten in ländlichen Bereichen die Übertragung von Daten mit hoher Bandbreite zu ermöglichen. In einem solchen Fall befindet sich die Basisstation meist auf einem Mast oder Turm und muss aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ein großes Gebiet abdecken. Downlink (Basisstation) Antennenelemente 256 64 Gesamtausgangsleistung am PA (dBm) 33 19 Antennengewinn (dB) 27 21 Tx EIRP (dBm) 60 40 Pfadverlust (dB) 135 135 Empfangsleistung (dBm) -75 -95 thermisches Grundrauschen (dBm) -85 -85 Rx-Rauschzahl (dB) 5 5 SNR pro Rx-Element (dB) 5 -15 Rx-Antennengewinn (dB) 21 27 Rx-SNR nach Beamforming (dB) 26 12 Tabelle 1: Beispiel einer 5G-Basisstation Bei den ersten Implementierungen wird von einer Outdoorzu-Outdoor-Abdeckung ausgegangen, bei der die Teilnehmermodems (Customer Premises Equipment, CPE) im Freien montiert sind und der Link so aufgebaut ist, dass er die beste Over-the-Air-Verbindung ermöglicht. In der Annahme, dass die Antenne nach unten ausgerichtet ist und die Benutzer eine feste Position haben, ist möglicherweise kein großer vertikaler strahllenkender Bereich (Steering Range) erforderlich. Allerdings kann die übertragene Leistung recht hoch sein und über 65 dBm EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) betragen, um die Funkabdeckung zu maximieren und bestehende Infrastruktur zu nutzen. Bild 1b skizziert ein dicht besiedeltes städtisches Gebiet, in dem sich die Basisstation an einem niedrigeren Standort, beispielsweise auf einem Dach oder an einer Hausfassade, befindet – zukünftig vielleicht auf Straßenlaternen oder anderen Befestigungen auf Straßenniveau montiert. Auf jeden Fall muss diese Art von Basisstation eine vertikale Abtastung (Vertical Scanning) ermöglichen, um Signale über die gesamte Gebäudefassade zu liefern – mit der weiteren Verbreitung von Mobilgeräten früher oder später vielleicht auch an mobile oder ortsungebundene Nutzer am Boden (Fußgänger und Fahrzeuge). Uplink (CPE) In diesem Fall muss die übertragene Leistung nicht unbedingt so hoch sein wie im Falle des dicht besiedelten städtischen Gebietes, wobei sich Niedrigenergiefenster (Low-E-Glas) bei der Durchdringung vom Außen- in den Innenbereich als problematisch erwiesen hat. Wie gezeigt, ist eine höhere Flexibilität im Strahlabtastungsbereich (Beam Scanning Range) erforderlich, und zwar auf der horizontalen und der vertikalen Ebene. Die wichtigste Erkenntnis an dieser Stelle ist, dass es keine Patentlösung gibt. So bestimmt das jeweilige Einsatzszenario die Beamforming-Architektur, die wiederum die Wahl der HF- Technologie beeinflusst. Ein praktisches Beispiel mit einem einfachen Linkbudget soll die Anforderungen an die Übertragungsleistung einer Millimeterwellen-Basisstation gemäß Tabelle 1 veranschaulichen. Der zusätzliche Pfadverlust, verglichen mit dem bei Mobilfunkfrequenzen, ist eine große Hürde bei Millimeterwellenfrequenzen. Darüber hinaus sind Hindernisse wie Gebäude, Laub oder Menschen zu berücksichtigen. Es gibt eine Fülle von Arbeiten, die sich in den letzten Jahren mit der Ausbreitung bzw. Übertragung bei Millimeterwellen beschäftigen. Einen guten Überblick enthält der Artikel “Overview of Millimeter Wave Communications for Fifth- Generation (5G) Wireless Networks-with a Focus on Propagation Models.” [2] Darin werden mehrere Modelle diskutiert und verglichen und die Abhängigkeit des Pfadverlustes von der Umgebung veranschaulicht sowie Szenarien mit und ohne Sichtverbindung (Line-of-Sight, LOS, bzw. Non-Line-of-Sight, NLOS) verglichen. Ohne hier auf Details einzugehen, lässt sich im Allgemeinen sagen, dass ein NLOS-Szenario für eine feste Mobilfunkimplementierung herangezogen werden sollte, wobei die gewünschte Reichweite und die Geländebeschaffenheit zu berücksichtigen sind. Im hier erwähnten Beispiel geht es um eine Basisstation im städtischen Außenbereich mit einer Reichweite von 200 m. Angenommen wurde ein Pfadverlust von 135 dB bei einem Outdoorzu-Outdoor-Link ohne Sichtverbindung. Bei der Durchdringung vom Außen- in den Innenbereich kann der Pfadverlust sogar 30 dB größer sein. Wenn hier dagegen das LOS-Modell annehmen würden, kann der Pfadverlust in etwa nur 110 dB betragen. In diesem Fall werden 256 Elemente in der Basisstation und 64 Elemente in der Ausrüstung am Standort des Endanwenders (Customer Premise Equipment, CPE) angenommen. In beiden Fällen kann die Ausgangsleistung mit einer Siliziumimplementierung erreicht werden. Die Verbindung wird als asymmetrisch angenommen, was eine gewisse Erleichterung beim Uplinkbudget mit sich bringt. Die durchschnittliche Verbindungsqualität in diesem Fall sollte im Downlink eine Quadratur-Amplituden-Modulation mit 64 Stufen (QAM64) und im Uplink QAM16 ermöglichen. Die Verbindungsqualität im Uplink lässt sich verbessern, indem man, falls erforderlich, die Übertragungsleistung im CPE bis zu den jeweiligen gesetzlichen Grenzwerten erhöht. Dehnt man die Reichweite der Verbindung auf 500 m aus, wird der Pfadverlust um etwa 150 dB steigen. Dies ist machbar, hf-praxis 6/2019 27

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