Messtechnik Bausteine
Messtechnik Bausteine für 6G Der 6G-Mobilfunk soll ab 2030 Anwendungen der Künstlichen Intelligenz, Virtuellen Realität und des Internets der Dinge den Weg in den Alltag bahnen. E-Band-Sender mit GaN-Modul, 3D-gedruckter Antenne und Rotman-Linse © Fraunhofer HHI Dafür wird ein wesentlich höheres Leistungsvermögen als das des aktuellen 5G-Mobilfunkstandards benötigt, was neue Hardware-Lösungen erfordert. So präsentierte das Fraunhofer IAF daher ein gemeinsam mit dem Fraunhofer HHI entwickeltes energieeffizientes Sendemodul auf GaN-Basis für die 6G-relevanten Frequenzbereiche oberhalb von 70 GHz. Die hohe Leistungsfähigkeit des Moduls wurde bereits demonstriert. Hochgeschwindigkeitsvernetzung Selbstfahrende Autos, Telemedizin, automatisierte Fabriken – solche vielversprechenden Zukunftsanwendungen in den Bereichen Verkehr, Gesundheit und Industrie sind auf eine Informations- und Kommunikationstechnik angewiesen, die den Leistungsrahmen des aktuellen Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF www.iaf.fraunhofer.de E-Band-Modul auf GaN-Basis für breitbandige Punkt-zu-Punkt- Datenverbindungen über große Entfernungen im 6G-Mobilfunk © Fraunhofer IAF Mobilfunkstandards der fünften Generation (5G) übersteigt. Der 6G-Mobilfunk, mit dessen Einführung ab 2030 gerechnet wird, verspricht eine Hochgeschwindigkeitsvernetzung für die zukünftig benötigten Datenmengen, da er Datenraten über 1 Tbit/s und Latenzen bis hinab zu 100 µs erreichen kann. Hochfrequenzbauelemente An den für den 6G-Mobilfunk benötigten neuartigen Hochfrequenzbauelementen haben das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich- Hertz-Institut, HHI im Rahmen des von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderten Projekts KONFEKT (Komponenten für die 6G-Kommunikation) seit 2019 gearbeitet. Die Forschenden haben Sendemodule auf Basis des Leistungshalbleiters Galliumnitrid (GaN) entwickelt, mit denen erstmals in dieser Technologie die Frequenzbereiche um 80 GHz (E-Band) und 140 GHz (D-Band) erschlossen werden können. Der Fachöffentlichkeit wurde das innovative E-Band-Sendemodul, dessen Leistungsfähigkeit vom Fraunhofer HHI bereits erfolgreich getestet wurde, auf der European Microwave Week (EuMW) in Mailand präsentiert. Innovative Hardware „6G erfordert wegen der hohen Ansprüche an Leistung und Effizienz neuartige Hardware“, erklärt Dr. Michael Mikulla vom Fraunhofer IAF, der das Projekt E-Band-Empfänger im Outdoor- Übertragungsexperiment bei 85 GHz © Fraunhofer HHI KONFEKT koordiniert: „Komponenten auf dem aktuellen Stand der Technik kommen da an ihre Grenzen. Das betrifft insbesondere die zugrundeliegende Halbleitertechnologie und die Aufbau- wie Antennentechnik. Um in den Kategorien Ausgangsleistung, Bandbreite und Leistungseffizienz bessere Ergebnisse zu erzielen, benutzen wir für unser Modul beispielsweise monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen auf GaN-Basis statt der aktuell gängigen Siliziumschaltungen. GaN kann als Halbleiter mit großem Bandabstand höhere Spannungen verarbeiten und ermöglicht zugleich deutlich verlustärmere und kompaktere Bauelemente. Außerdem verzichten wir auf Oberflächenmontage und planare Aufbaustrukturen, um eine verlustärmere Strahlformungsarchitektur mit Hohlleitern und inhärenter Parallelschaltung zu konstruieren.“ Gedruckte Hohlleiter Das Fraunhofer HHI ist ferner intensiv an der Evaluation 3D-gedruckter Hohlleiter beteiligt. Mehrere Komponenten, darunter Leistungsteiler, Antennen und Antennenzuleiter, wurden im SLM-Verfahren (Selective Laser Melting, selektives Laserschmelzen) konstruiert, gefertigt und charakterisiert. Durch dieses Verfahren ist es auch möglich, schnell und kostengünstig Komponenten zu fertigen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht herzustellen sind, um so den Weg für die Entwicklung von 6G-Technologie zu ebnen. Hochleistungsfähige Sendemodule Das E-Band-Modul erreicht durch die Kopplung der Sendeleistung von vier Einzelmodulen mit extrem verlustarmen Hohlleiterkomponenten eine 42 hf-praxis 11/2022
Messtechnik KI-gesteuerte Tests von 5G-Smartphones Anwendungen wie Facebook Messenger, Microsoft Teams, Snapchat, TikTok und Zoom zugreifen, eine bessere Qualität der Erfahrung (QoE) zu bieten. Keysight Technologies stellt Erweiterungen für die Nemo Device Application Test Suite des Unternehmens vor. Diese softwarezentrierte Lösung nutzt Automatisierung und künstliche Intelligenz (KI), um Wireless-Service-Provider und Anwendungsentwickler in die Lage zu versetzen, die Bewertung der realen Interaktionen von Smartphone-Anwendern mit nativen Anwendungen zu beschleunigen. In den letzten Jahren hat die Nutzung mobiler Apps für den Zugriff auf digitale Inhalte, das Engagement auf Social- Media-Plattformen und die Teilnahme an Online-Spielen weltweit stark zugenommen. Da native mobile Apps im Vergleich zu mobilen Webbrowsern ein optimales und individuelles Erlebnis bieten, treibt die Nutzung mobiler Anwendungen dieses Wachstum voran. Keysight nutzte KI, Machine Learning (ML) und Automatisierung unter Verwendung von Daten, die von einer nativen mobilen App erfasst wurden (nicht von simuliertem Datenverkehr), um die neue Gerätetest-App-Methode zu entwickeln. Dadurch wird eine genauere Bewertung der Interaktion eines Anwenders mit der gleichen mobilen App ermöglicht. Die neue Methode zur Automatisierung von Anwendungstests ermöglicht es Wireless-Service-Providern, die Leistung des 5G-Netzwerks schnell zu optimieren und Anwendern von Smartphones, die auf einige der weltweit am häufigsten genutzten OTT-Dienste und Social-Media- Die neue automatisierte Test-App-Methode ist eine von drei ergänzenden Testmethoden, die innerhalb der Nemo Device Application Testing Suite von Keysight verfügbar sind. Je nach Art der mobilen Anwendung und den wichtigsten Leistungsindikatoren (KPIs) wird eine spezifische Testmethode in Kombination mit einer begleitenden Nemo-Feldtestlösung verwendet. Anwender der Nemo Testing Suite erhalten eine umfassende, realistische und flexible Validierung der Leistung des 5G-Netzwerks und eine Bewertung der Endnutzer-QoE. Die Nemo Test Tools von Keysight erfassen reale Messdaten im Feld zur Echtzeitoder Post-Process-Analyse. Zu diesen Test Tools gehören: Nemo Outdoor 5G NR Drive Test Solution, Nemo Backpack Pro 5G In-Building Benchmarking Solution und Nemo Network Benchmarking Solution. ■ Keysight Technologies www.keysight.com lineare Ausgangsleistung von 1 W im Frequenzbereich von 81 bis 86 GHz. Damit ist es für breitbandige Punkt-zu-Punkt- Datenverbindungen über große Entfernungen geeignet, die eine Schlüsselfähigkeit für zukünftige 6G-Architekturen darstellen. Getestete Leistungsfähigkeit Verschiedene Übertragungsexperimente des Fraunhofer HHI konnten die Leistungsfähigkeit der gemeinsam entwickelten Komponenten bereits demonstrieren: In unterschiedlichen Outdoor-Szenarien wurden Signale, die den aktuellen Entwicklungsspezifikationen von 5G entsprechen (5G-NR Release 16 der globalen Mobilfunkstandardisierungsorganisation 3GPP), bei 85 GHz mit einer Bandbreite von 400 MHz übertragen. Bei freier Sichtverbindung konnten über eine Distanz von 600 Metern Daten in einer Quadratur-Amplituden-Modulation mit 64 Symbolen (64-QAM) erfolgreich übertragen werden, was eine hohe Bandbreiteneffizienz von 6 Bit/s/Hz gewährleistet. Die Error Vector Magnitude (EVM) des empfangenen Signals lag dabei mit 24,43 dB deutlich unterhalb des 3GPP- Grenzwertes von -20,92 dB. Bei durch Bäume und geparkte Fahrzeuge behinderter Sichtverbindung konnten 16QAM-modulierte Daten erfolgreich über eine Distanz von 150 Metern übertragen werden. Auch bei einer komplett blockierten Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger war es hier noch möglich, Vierphasen-modulierte Daten (Quaternary Phase-Shift Keying, QPSK) mit einer Effizienz von 2 Bit/s/Hz zu übertragen und erfolgreich zu empfangen. Der hohe Signal-Rauschabstand von teilweise mehr als 20 dB in allen Szenarien ist, besonders in Anbetracht des Frequenzbereiches, bemerkenswert und wird nur durch die hohe Leistungsfähigkeit der entwickelten Komponenten möglich. In einem zweiten Ansatz wurde ein Sendemodul für den Frequenzbereich um 140 GHz entwickelt, das eine Ausgangsleistung von mehr als 100 mW mit einer extremen Bandbreite von 20 GHz kombiniert. Tests mit diesem Modul stehen noch aus. Beide Sendemodule sind ideale Komponenten für die Entwicklung und Erprobung von zukünftigen 6G-Systemen im Terahertz- Frequenzbereich. ◄ Erfolgreicher Empfang von 64QAM-modulierten Daten bei einer Entfernung von 600 Metern bei 85 GHz © Fraunhofer HHI hf-praxis 11/2022 43
