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3-2021

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik 6G im

Messtechnik 6G im Blickfeld Kanalmessungen für die zukünftige Mobilfunkkommunikation sehen. Auf der World Radio Conference (WRC-19) der ITU im letzten Jahr kamen weitere Bänder zwischen 275 und 450 GHz hinzu. Fürs erste konzentrieren sich die Forschungsarbeiten für 6G aber auf das D- und H-Band (Bild 1). Kanalmodelle als Fundament für die Nutzung neuer Frequenzbereiche Bevor ein neuer Kommunikationsstandard entwickelt werden kann, müssen die Ausbreitungseigenschaften im geplanten Frequenzband verstanden und charakterisiert sein. Dann lassen sich Kanalmodelle ableiten, die Link-Level- und System-Level- Simulationen des neuen Standards erlauben. Dafür müssen die zugrunde liegenden Messdaten die untersuchten Umgebungen korrekt abbilden. Geometrie-basierte stochastische Kanalmodelle (GSCM) wie 3GPP TR38.901 [3], gültig bis 100 GHz, basieren auf einer großen Zahl solcher Kanalmessungen in verschiedenen Umgebungsszenarien. Die Entwicklung der Kanalmodelle einschließlich ihrer Spezifizierung durch 3GPP hat sich bis hin zu 4G auf den Frequenzbereich unterhalb von 6 GHz und quasistatische Umgebungen beschränkt. Mit 5G wurden dynamische und andersartige Umgebungsszenarien entsprechend neuer Anwendungsfälle relevant (Automotive, Hochgeschwindigkeitszüge, Industrieumgebungen etc.) und der Frequenzbereich in den Millimeterwellenbereich erweitert. Die hierfür gewonnenen Kanalmodelle lassen sich aber nicht ohne Weiteres auf den Bereich jenseits von 100 GHz übertragen. Mehr noch als im Millimeterwellenbereich wird in diesem Frequenzbereich die Ausbreitung durch Das Verständnis der Ausbreitungseigenschaften der elektromagnetischen Wellen in einem Millimeterwellen-Funkkanal ist für die Entwicklung zukünftiger Standards wie 6G von grundlegender Bedeutung. Autor: Dr. Taro Eichler Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG www.rohde-schwarz.com Bei Rohde & Schwarz hat man das rechtzeitig erkannt und zusammen mit zwei Fraunhofer-Instituten einen Zeitbereichs-Channel-Sounder für das 300-GHz-Band entwickelt und in ersten Forschungsprojekten bereits eingesetzt. Von 5G zu 6G Der Aufbau flächendeckender 5G-Netze und die sukzessive Bereitstellung aller vorgesehenen Optionen in den FR1- und FR2-Bändern wird die Industrie noch auf Jahre hinaus beschäftigen. Unterdessen widmet sich die Forschung bereits den Grundlagen für die Nachfolgegeneration 6G [1, 2]. Einige der Technologiekandidaten dafür (z.B. neue Wellenformen als Alternative zu OFDM oder der Full-Duplex-Betrieb) wurden bereits für 5G diskutiert, aber nicht in den Standard übernommen. Weitere Forschungsschwerpunkte im Bereich 6G sind neue Netzwerktopologien, ultra-massive MIMO, visible light communication (VLC), Quantenkommunikation (für intrinsisch abhörsichere Kommunikation) oder die Anwendung von Machine Learning für die Netzwerksteuerung und -optimierung. Unterwegs zum Terahertz-Spektrum Setzt man in 5G erstmals Millimeterwellen bei großen Bandbreiten ein, um die für anspruchsvolle Echtzeitanwendungen wie die drahtlose Fabrikautomation nötigen Übertragungsraten zu ermöglichen, werden mit der in Umrissen erkennbaren 6G-Technologie noch einmal deutlich höhere Übertragungsraten und geringere Latenzzeiten angepeilt. Große zusammenhängende Frequenzbereiche mit Bandbreiten von mehreren GHz findet man aber nur im Sub-THz- und THz- Bereich, also oberhalb von 100 GHz (Bild 1). Bisher waren dort schon weite Teile des D-Bands (110 bis 170 GHz) für künftige Kommunikationsdienste vorge- 34 hf-praxis 3/2021

Messtechnik Bild 1: Spektrum der für Mobilkommunikation nutzbaren Frequenzbänder. Die 5G-Bänder verteilen sich auf den Bereich unterhalb von 100 GHz. Die 6G-Forschung konzentriert sich auf das D- und das H-Band den menschlichen Körper, Fahrzeuge oder Umweltbedingungen wie Regen stark beeinflusst. Über Channel Sounding zum Kanalmodell Kanalmessungen durch Channel Sounding liefern ein Bild der Ausbreitungseigenschaften von elektromagnetischen Wellen bei einer betrachteten Frequenz. Der Begriff Channel Sounding ist eine Anleihe aus der Sonartechnik: Von einem Schiff oder U-Boot sendet man einen kurzen akustischen Puls aus und zeichnet die Reflexionen im Zeitbereich auf. Sie ergeben ein brauchbares Abbild der Umgebung. Während bei der Sonartechnik Sender und Empfänger räumlich zusammenfallen, sind beim Channel Sounding Sender und Empfänger räumlich getrennt. Ein kurzes moduliertes Signal mit exzellenten Autokorrelationseigenschaften übernimmt die Rolle des „Pings“, dessen Impulsantwort aufgenommen wird. Also eine Laufzeitmessung. Sie erfasst sowohl die direkte Ausbreitungskomponente (line of sight, LOS) als auch alle Reflexionen und Streuungen (non line of sight, NLOS) von Objekten der Umgebung (Bild 2). Aus den Ergebnissen lassen sich die Modellparameter für den Kanal ableiten und deren Werte bestimmen. Allgemein gilt, dass Objekte dann für elektromagnetische Wellen „physikalisch sichtbar“ sind und als Reflektor oder Streuobjekt wirken, wenn sie mindestens so groß sind wie die Wellenlänge der einfallenden Welle. Bei höheren Frequenzen, z.B. 30 GHz, reflektieren daher bereits Objekte im Zentimeterbereich. Vereint forschen Rohde & Schwarz sammelt schon seit einigen Jahren Erfahrungen in Channel-Sounding- Projekten. So untersuchte man Bild 2: Prinzip des Channel Sounding. Zur Aufnahme der Kanalimpulsantwort (CIR) wird ein elektromagnetischer „Ping“ auf der interessierenden Frequenz gesendet und es werden alle rücklaufenden Signalanteile erfasst hf-praxis 3/2021 35

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel