Agile Antennen für 5G

Hohe Richtwirkung und adaptive Strahlsteuerung

Ein Beitrag von Prof. Dr. Matthias Geissler, IMST GmbH, Kamp-Lintfort

5G ist ein viel diskutiertes Thema: auf der einen Seite gibt es die extrem hohen Datenraten von einigen Gigabit/s pro Link, auf der anderen Seite kämpfen Wissenschaftler mit der Herausforderung, diese physikalisch zu ermöglichen. Ein Kernthema dabei ist die Antennentechnologie. Denn um hohen Datenraten möglich zu machen, braucht es besondere Antennenkonzepte. Der folgende Bericht gibt eine Übersicht über die physikalischen Bedingungen und Technologien, um 5G zu ermöglichen.

Von LTE zu 5G

Gerade erst wurde und wird der Mobilfunk der 4. Generation, genannt LTE (Long Term Evolution) in Europa ausgerollt, da diskutieren sowohl die Fachwelt als auch die breite Öffentlichkeit bereits intensiv die Chancen, Möglichkeiten und Perspektiven der zukünftigen 5. Generation, kurz "5G".

Zeitpunkt und Intensität der Diskussion sind auf den ersten Blick erstaunlich, lassen sich aber erklären: In Richtung der Nutzer sind es die angekündigten extrem hohen Datenraten von einigen Gigabit/s pro Link, die die Faszination hervorrufen, in Richtung der Techniker sind es die besonderen Herausforderungen, die mit der Übertragung solch hoher Datenraten einhergehen. Ein Kernthema von 5G ist dabei die Antennentechnologie: Zur Übertragung der extrem hohen Datenraten sind besondere Antennenkonzepte erforderlich: Die physikalischen Randbedingungen und entsprechend erforderliche Technologien hierfür werden im Folgenden erläutert.

Übertragung mittels "Millimeterwellen"

Eine technische Besonderheit an 5G besteht darin, dass – neben den klassischen Trägerfrequenzen um 2 GHz – auch sehr hohe Trägerfrequenzen um 30 GHz und höher verwendet werden. Diese werden auch als "Millimeterwellen" bezeichnet. Einen Grund für die Nutzung dieser Frequenzbänder liefert das Shannon-Hartley-Kriterium: Es beschreibt das theoretische Limit der Kanalkapazität C in Abhängigkeit von der Bandbreite B und dem Signal-zu-Rauschverhältnis S/N:

* Die Gleichung gilt strenggenommen nur für den SISO-Fall, also ‚Single-Input-Single-Output‘. Für den MIMO-Fall also ‚Multiple-Input-Multiple-Output‘ erhöht sich die Kapazität, was man beispielsweise durch einen zusätzlichen Faktor k auf der rechten Seite der Gleichung darstellen kann.

Im LTE-Standard wurden bereits große Anstrengungen unternommen, um sich diesem theoretischen Limit anzunähern, insbesondere durch Verwendung höherwertiger Modulationsverfahren sowie durch Mehrantennensysteme und MIMO. Um – ausgehend von LTE – eine weitere signifikante Steigerung der Kapazität zu erreichen, bietet die Bandbreite B die beste Möglichkeit; hohe Bandbreiten von mehreren Gigahertz stehen jedoch nur im Bereich der Millimeterwellen zur Verfügung.

Der Grund für die Wahl der Millimeterwellenbänder ist also die dort gegebene Verfügbarkeit von sehr hohen Bandbreiten, die die gewünschten hohen Datenraten ermöglichen. Die Nutzung solch hoher Trägerfrequenzen wird jedoch – neben hohen Technologiekosten – durch zwei Randbedingungen erschwert:

  • Die Wellenausbreitung erfolgt quasioptisch, das bedeutet, dass möglichst eine Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger gegeben sein sollte, andernfalls sinkt die Datenrate deutlich ab. Gebäudewände und dichte Vegetation stellen praktisch unüberwindliche Übertragungshindernisse dar.
  • Die Streckendämpfung ist bei hohen Frequenzen deutlich erhöht. Die am Empfänger in einer Distanz von R zur Verfügung stehende Leistung PE ergibt sich aus der Sendeleistung PS, den Gewinnen der Sende- und Empfangsantenne GS und GE sowie der Wellenlänge λ wie folgt (Friis-Gleichung):

Der Wert der Klammer in obiger Gleichung – auch Freiraum-Verlustfaktor genannt – reduziert sich bei gegebenem R, wenn die Frequenz steigt. Dieser Effekt kann und muss durch entsprechend höhere Gewinne der verwendeten Antennen kompensiert werden. Das bedeutet allerdings, dass man keine rundstrahlenden Antennen verwenden kann, sondern stark bündelnde Antennen sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite benötigt.

Agile Antennen mit elektronischem Beamforming

Die Verwendung von Antennen mit starker Richtwirkung ist also sehr hilfreich und wichtig für Millimeterwellenapplikationen. Eine starke Richtwirkung bedeutet jedoch automatisch, dass die Richtdiagramme jeweils eine schmale Hauptkeule aufweisen und dass die beiden Hauptkeulen der Sende- und Empfangsantennen genau aufeinander ausgerichtet sein sowie – z.B. bei Bewegung des Mobilfunknutzers – nachgeführt werden müssen.

Aus Aufwands- und Verschleißgründen kann eine solche Nachführung im Mobilfunkszenario nicht mechanisch erfolgen, sondern wird elektronisch vorgenommen.

Abbildung 1 illustriert das Grundprinzip hierfür: Eine Gruppe von Einzelstrahlern im Relativabstand d wird mit einem elektronischen Phasenbelag δ beaufschlagt, wodurch sich eine Wellenfront unter einem Abstrahlwinkel α bildet. Durch elektronische Änderung des Phasenbelags ändert sich der Abstrahlwinkel. Diese Technik ist als "Phased Array" bekannt oder allgemeiner als "elektronisches Beamforming".

Realisierung von 5G-Antennensystemen

Die Realisierung von 5G-Antennensystemen mit elektronischem Beamforming ist eine herausfordernde Ingenieursaufgabe: Es ist nicht nur eine sehr gute Effizienz und Performance erforderlich, sondern andere Aspekte wie Kosten, Gewicht, Leistungsverbrauch und Wärmeabfuhr müssen im Design berücksichtigt werden.

Besonders anspruchsvoll ist die Entwicklung von Antennensystemen für mobile Geräte: diese müssen sehr kompakt und leicht sein und trotzdem eine exakte elektronische Strahlschwenkung ermöglichen.

Abbildung 2 zeigt ein Realisierungsbeispiel einer Antenne für Gigabitübertragung bei 60 GHz: Sie wurde in einer Mehrlagen-Keramik in Hohlleiter-Technik („Substrate-Integrated-Waveguide“) aufgebaut und ermöglicht eine elektronische Strahlsteuerung.

Die Antenne wird zur Multimediaanbindung von Geräten im Konsumersegment verwendet und wurde für Beam Semiconductor entwickelt. Oben ist die Simulation zu sehen, unten das realisierte Modul in Messhalterung.

Ausblick auf 5G

Die Antennen-Technologie für zukünftige Millimeterwellen-Kommunikation in 5G ist also verfügbar und bereit für die Implementierung. Aufgrund der oben beschriebenen besonderen physikalischen Randbedingungen wird der Einsatz von Millimeterwellen allerdings genau auf vorgesehene Szenarien abgestimmt werden.

Ein mögliches Szenario ist die "letzte Meile", also die Anbindung von Gebäuden an eine Hub-Station mittels Funk. Durch agile Antennensysteme kann man hierbei kleine Ausrichtfehler in der Installation kompensieren oder kleine Vibrationen des Antennenmastes durch Wind ausgleichen. Ggf. kann man innerhalb des Gebäudes dann auf tiefere Mobilfunkbänder bzw. auf WLAN umsetzen.

Ein mögliches Szenario zur direkten Anbindung von mobilen Endgeräten ist das "Stadion-Szenario", innerhalb dessen Millimeterwellen-Basisstationen an die Flutlicht-Masten montiert werden. Mobile Endgeräte im Innenraum des Stadions haben dann eine gute Sichtverbindung zur Basisstation, so dass hohe Datenraten – z.B. für Video-Streaming – für viele Nutzer gleichzeitig realisierbar sind.

Fazit

Es bleibt also spannend bei 5G: Sowohl hinsichtlich der technischen Herausforderungen und der Realisierung als auch hinsichtlich der zukünftigen Implementierung und Nutzung. Und die Entwicklung von leistungsfähigen agilen Antennensystemen mit elektronischem Beamforming – unter den strengen Kosten-, Platz- und Performance-Anforderungen des Mobilfunks – spielt dabei eine Schlüsselrolle.

Literatur

  • R. Gabriel and M. Geissler, Antenna Systems for Cellular Base Stations, Chapter in the Handbook of Antenna Technologies, p.2271 ff, Springer Science+Business Media Singapore, 2016.
  • Cisco visual networking index: global mobile data traffic forecast, 2009-2014 reports, CISCO, USA, 2014.
  • B. Sanadgol, S. Holzwarth, A. Milano, R. Popovich, M. Geissler, An LTCC Substrate Integrated Waveguide Phased Array for 60 GHz Wireless, 2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems & Technology, Boston, USA; Oktober 2010.
  • J.H. Winters, On the Capacity of Radio Communication Systems with Diversity in a Rayleigh Fading Environment, IEEE journal on selected areas in Communications, Vlo.Sac-5, No.5, June 1987.