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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Wireless 5G-Netze –

Wireless 5G-Netze – Probleme und Lösungen Implementierung von 5G-Netzen bereitstellen, da sie bei den geforderten Datenraten keine ausreichende Anzahl von Geräten unterstützt. Einfach ausgedrückt kann der Sendemast nicht die Zahl der Antennen unterstützen, die für die Einrichtung der 5G-Infrastruktur notwendig ist. Bild 1: Antennen-Evolution: vom 4G-Sendemast zur MIMO-Auslegung Harpinder Matharu, Ehab Mohsen, Anthony Collins und Adam Taylor Xilinx, www.xilinx.com HF-Einkaufsführer 2017/2018 Wir leben in einer immer stärker vernetzten Welt, und die mobile Kommunikation ist ein signifikanter Teil dieser Konnektivität. Der wachsende Bedarf an High- Speed-Verbindungen mit geringer Latenz zur Unterstützung der mobilen Konnektivität definiert somit die Netze der fünften Generation (5G). Die Entwicklung dieser schnellen Kommunikationsnetze der nächsten Generation wird aber nicht nur vom Wandel der Nutzerforderungen in die Richtung von Video- und Cloud-Applikationen getrieben, sondern auch vom Internet of Things (IoT) und dem Industrial Internet of Things (IIoT). Beide Varianten dieser künftigen Netzwerk-Topologien zielen auf die Machine-to-Machine- Kommunikation. Und im Fall des IIOT erfordert das äußerst zuverlässige Netze mit niedriger Latenz für kritische Applikationen. Die 5G-Netze bedeuten für die Netzbetreiber und die Equipment-OEMs große Herausforderungen, denn die unterschiedlichen Frequenzbänder am jeweiligen geographischen Ort und deren eigene regulatorische Vorschriften bedingen die Unterstützung mehrerer Luftschnittstellen mit einfach adaptierbaren Lösungen. Die Netzwerke der fünften Generation sind somit dadurch definiert, dass sie Verbindungen mit höherer Zuverlässigkeit und signifikant reduzierter Latenz bei erhöhten Datenraten und höheren Übertragungskapazitäten bieten. Außerdem müssen sie eine größere Zahl von Verbindungen unterstützen können. Um diese definierenden Elemente der 5G-Konnektivität zu realisieren, erfordern die 5G-Netze und ihre Infrastruktur eine weitgehende technologische Evolution über die gegenwärtig genutzten Netze der vierten Generation (4G) hinaus. Zur Meisterung dieser Herausforderungen müssen die 5G-Lösungen die Eckpunkte einer gesteigerten spektralen Effizienz und die Unterstützung höchster Verdichtung bieten. Mit höherer spektraler Effizienz lässt sich ein größerer Informationsgehalt innerhalb einer gegebenen Bandbreite, oft als Kanal bezeichnet, übertragen. Dies hilft, den wachsenden Bedarf an höheren Datenraten und Kapazitäten zu erfüllen. Die extreme Verdichtung der Übertragungswege führt zu einer signifikant höheren Zahl von Basisstationen und Back-Haul-Verbindungen. Das spricht für deren Implementierung, und das wiederum treibt die Änderung der Lösungen im Vergleich zu den heutigen Netzwerken. Die heutige 4G-Infrastuktur hat eine Reihe problematischer Punkte, die ihre Fähigkeit zur Skalierung und Unterstützung der Netze der nächsten Generation begrenzen. Typisch für sie sind die Antennen-Arrays und die mit ihnen verbundenen Funksysteme, die auf den überall sichtbaren Sendemasten zur Versorgung der einzelnen Funkzellen montiert sind. Je nach ihrer Architektur umfassen diese Sendemasten ein integriertes Funksystem mit Antenne, oder sie verfolgen einen verteilten Aufbau der Antenne. Wegen der besseren System-Performance und zur Reduzierung der Verluste der für die verteilte Lösung benötigten koaxialen Verkabelung wird hier eine integrierte Auslegung eingesetzt. Allerdings kann auch diese integrierte Auslegung des Antennen-Arrays nicht immer die notwendige Kapazität zur Aus diesem Grund gelten Massive MIMO- (Multiple Input Multiple Output) Architekturen als aussichtsreich zum Aufbau der Infrastruktur für 5G-Netze (Bild 1). Sie bestehen aus Systemen mit einer Vielzahl von Antennen, potenziell mit bis zu 1024 Einzel-Antennen. Das Massive-MIMO-Prinzip bietet somit die Fähigkeit zur Implementierung einer feinkörnigen Strahlformung, die räumliches Multiplexing ermöglicht. Das bedeutet, dass jeder einzelne Strahl die volle Bandbreite unterstützen kann, da die emittierte Energie innerhalb des Strahls konzentriert ist. Somit realisiert diese Anordnung eine höhere Effizienz der HF-Leistung. Massive-MIMO-Lösungen erlauben auch die Aufteilung der Messages und deren simultane Übertragung über verschiedene Verbindungswege, unter Nutzung mehrerer Antennen. Diese Änderung der Antennenarchitektur ermöglicht höchste Verdichtung, da die Antennen in Form einzelner Tiles an Gebäuden, an deren Aufbauten und Teilen der umgebenden Strukturen angebracht werden können, statt wie bisher an den Mobilfunk- Sendemasten. Dies gilt insbesondere, wenn eine Millimeterwellen-Kommunikation für den Back-haul-Support anstelle des fest verdrahteten Back-haul eingesetzt wird. Die geänderte Antennenanordnung führt andererseits auch zu Beschränkungen in Bezug auf die mit der Antenne verbundenen Funksysteme. Das betrifft nicht nur deren Energie-Effizienz, sondern auch den Formfaktor und die Skalierbarkeit von kleinen zu größeren Antennensystemen, 37

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel