Messtechnik für 5G-Mobilfunk
Den Weg für die nächste Generation ebnen
Beitrag von Volker Bach, Rohde & Schwarz, München
Nachdem im Dezember 2017 eine Teilversion des neuen Standards 5G New Radio seitens der Standardisierungsorganisation 3GPP veröffentlicht worden war (für den Non-Stand-Alone-Betrieb, der einen 4G-Unterbau voraussetzt), folgte im Juni 2018 der Stand-Alone-Release (SA 15) für den unabhängigen 5G-Betrieb.
Entwicklung digitaler Mobilfunksysteme
Üblicherweise vergehen nach einem Release aber immer noch einige Monate mit Feinarbeiten, bevor ein vollständiges Spezifikations-Fundament vorliegt. Dann kann die Industrie nun die finale Produktentwicklung in Angriff nehmen (Vorentwicklungen sind natürlich schon seit Längerem im Gange), sowohl der Infrastrukturkomponenten wie der Basisstationen als auch der Endgeräte für den Consumer-Markt. Dabei ist sie auf spezielle Messtechnik angewiesen. Denn digitale Mobilfunksysteme sind extrem komplex.
Ohne Messtechnik keine Mobilfunkprodukte
Eine Vielzahl von Hard- und Softwarekomponenten arbeitet eng verzahnt und in gegenseitiger Abhängigkeit. Damit das Ganze funktioniert, müssen sämtliche Einzelteile betriebsfähig sein. Das ist am Beginn einer Neuentwicklung naturgemäß nicht der Fall. Die Entwickler der HF-Funktechnik arbeiten unabhängig von den Signalverarbeitungsexperten und Protokollentwicklern, die ihrerseits erst einmal getrennt unterwegs sind.
Um zu Resultaten zu gelangen und die einzelnen Komponenten testen zu können, werden an den zunächst unbesetzten Schnittstellen zu den Nachbarkomponenten Ersatzinstallationen benötigt. Diese Rolle nehmen Messgeräte und Simulatoren ein. So braucht der Empfängerentwickler einen Messsender als Gegenstück und der Senderentwickler einen Messempfänger.
Die entsprechenden Geräte heißen Vektor-Signalgenerator bzw. Signalanalysator. Diese Geräte sind in der Lage, die sehr spezifischen Funksignale eines Standards akkurat zu erzeugen bzw. bis ins Detail zu analysieren. An der Luftschnittstelle, also den Systemkomponenten, die unmittelbar für die Aussendung und den Empfang der Funksignale zuständig sind, interessieren vor allem die physikalischen Signalparameter (Frequenz-, Pegel- und Phasengenauigkeit), für die sehr enge Toleranzen gelten. Nur wenn sich der Funkkanal spezifikationsgemäß aufbauen lässt, kann das System im Einsatz die angepeilte Datenrate erzielen.
Höher, schneller, weiter
Aufwändige Entwicklung der Messgeräte
Wie bisher noch jede neue Mobilfunkgeneration, so geht auch 5G mit seinen Anforderungen wieder an die Grenze des Machbaren und stellt so nicht nur die Gerätebauer, sondern auch die Messtechnikhersteller vor größere Aufgaben.
Denn generell gilt die Faustregel, dass ein Messgerät um mindestens eine Größenordnung genauer arbeiten sollte als das Messobjekt, damit es dessen Schwächen und nicht seine eigenen zur Anzeige bringt.
Da im Vergleich zu 4G bei 5G noch einmal alle performance-relevanten Stellschrauben merklich angezogen wurden, ist der Aufwand für die Messgeräteentwicklung entsprechend groß. Verschärft wird die Situation bei 5G noch dadurch, dass erstmals im Mobilfunk auch Millimeterwellenfrequenzen (z.B. 28 GHz) zum Einsatz kommen werden, die sehr viel schwieriger zu handhaben sind, vor allem dann, wenn man sie nicht durchgängig in hochintegrierten Bauteilen verarbeiten kann, wie das bei Consumer-Endgeräten der Fall ist, sondern die Technik auf größere Baugruppen verteilen muss, wie es in hochwertigen Messgeräten notwendigerweise geschieht.
Die Millimeterwellenphysik fordert ein Höchstmaß nicht nur an elektronischer, sondern auch an mechanischer und fertigungstechnischer Präzision, was sich unweigerlich in den Gerätepreisen widerspiegelt.
Hochintegration bedingt ein neues Messparadigma
Eine konstruktive Folge der hohen Frequenzen ist die weiter zunehmende Verdichtung und Integration der Komponenten. Eine 5G-Basisstationsantenne wird anders aussehen als die bekannten länglichen Sektorantennen an den Mobilfunkmasten. Man wird hier flächige Gebilde sehen, die dutzende von Antennenelementen mit integrierter Elektronik beinhalten, sogenannte Massive-MIMO-Arrays (MIMO = Mehrantennentechnologie). An solche hochintegrierten Gebilde lassen sich Messgeräte nicht mehr über Kabel anschließen, was aus verschiedenen Gründen vorzuziehen wäre, sondern man muss das Signal über Antennen einfangen und an die Messtechnik weiterleiten.
Diese Methode ist prinzipiell ungenauer und aufwendiger, die Einrichtungen dafür sind erst zu entwickeln (OTA = Over-the-Air-Messtechnik). Abbildung 1 zeigt eine solche Messkammer, die speziell für 5G-Anwendungen konzipiert wurde.
Um aussagefähige Messungen an Antennen zu bekommen, müssen diese im sogenannten Fernfeld vorgenommen werden. Bei größeren Antennen herrschen Fernfeldbedingungen aber erst im Abstand von vielen Metern (die Antennengröße geht quadratisch in die Fernfelddistanz ein), sodass konventionelle Messkammern dafür sehr groß ausfallen.
Mit aktueller Technik kann man sie deutlich kompakter gestalten. Das gelingt durch Beamforming. Das oktogonale Antennen-Array links in Abbildung 1 besteht aus 156 Vivaldi-Antennen, die durch passend dimensionierte Verzögerungsleitungen so angesteuert werden, dass sich am Ort des Messobjekts (die weiße Flachantenne rechts) ein ebenes (Fern-)Feld ausbildet. Der Abstand zwischen Messobjekt und Messantenne lässt sich so auf 1,50 m reduzieren, was eine Installation im Labor oder in einer Fertigungsumgebung zulässt.
Messtechnik in allen Stadien der Entwicklung, Produktion und Installation
Der Consumer-Markt wartet natürlich in erster Linie auf die Endgeräte. In ihrer Leistung zeigt sich unmittelbar, wie viel „PS“ ein neuer Standard auf die Straße bringt.
Liegen alle Module eines neuen Mobilfunkprodukts fertig vor – für ein Smartphone im Wesentlichen das standardkonforme Chipset und das HF-Frontend – werden sie zum fertigen Gerät integriert und dieses auf Herz und Nieren getestet, um ein späteres funktionales Versagen auszuschließen. Das geschieht im Rahmen der Typprüfung, die der Produktion vorausgeht. Hierbei wird das Endgerät an einen Netzsimulator angeschlossen, der es programmgesteuert eine Vielzahl von Betriebszuständen einnehmen lässt und es dabei messtechnisch überwacht. Erst wenn alle obligatorischen Test Cases von 3GPP erfolgreich absolviert sind, kann die Produktionsfreigabe erfolgen.
Auch in der Fabrik geht es dann nicht ohne Messtechnik. Angesichts der riesigen Stückzahlen darf es später im Einsatz keine nennenswerten Ausfälle aus technischen Gründen geben, die sofort negativ auf das Markenimage des Herstellers durchschlagen würden und hohe wirtschaftliche Schäden zur Folge hätten. Daher werden wichtige technische Parameter bei jedem Exemplar gemessen und Feinjustagen vorgenommen. Was für die Endgeräte gilt, gilt gleichermaßen für die Infrastrukturkomponenten in der Fläche, und zwar von deren Entwicklung und Fertigung über die Installation bis zur Wartung und Optimierung: Jeder Schritt erfolgt unter enger messtechnischer Begleitung, denn für Trial-and-Error-Methoden ist die Technik viel zu komplex und anspruchsvoll.
Der in München ansässige Technologiekonzern Rohde & Schwarz begleitet die Entwicklung des Mobilfunks seit Jahrzehnten mit seiner marktführenden Messtechnik. Wie die ganze Branche, so arbeiten auch die Münchner Experten derzeit mit hohem Ressourcenaufwand an der Entwicklung der 5G-Technik.
Erstmals erschienen in: TiB Ausgabe 2018 September/Oktober