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Hintergrund: 5G-Technologie birgt neue Testanforderungen

Seit 2019 werden weltweit 5G-Mobilfunknetze installiert. Was bedeutet das für den Bereich Test- und Messtechnik? Das große Thema bei 5G sind neue Anwendungen und die Expansion in neue Bereiche wie autonomes Fahren, virtuelle Realität und Fabrikautomatisierung. Dies wird durch neue Signaleigenschaften möglich, die extrem niedrige Latenzzeiten und hohe Zuverlässigkeit erlauben, sowie durch eine Architektur, die den einfachen Einsatz privater Netzwerke ermöglicht. Darüber hinaus zielt 5G auf eine flexiblere Luftschnittstelle ab, die sich an zukünftige Anforderungen, unterschiedliche Frequenzzuweisungen und Anwendungsfälle anpassen lässt.

Die ersten 5G-Geräte bzw. -Anwendungen sind Smartphones und Hotspots, da dies der logische nächste Schritt nach den derzeit vorhandenen 4G-Geräten ist. Die ersten 5G-Spezifikationen der Release 15 konzentrieren sich auf diesen Bereich, damit die Branche die Technik schnell auf den Markt bringen kann. Mittlerweile steht mit der Release 16 die gesamte erwartete Funktionsvielfalt von 5G bereit, um alle neuen Bereiche abzudecken.

Eine der wichtigsten neuen Technologien ist die Einführung der Millimeterwellen-Kommunikation (mmWave). Diese unterstützt Strahlformung (Beamforming) und aktive Antennen-Array-Technik. Diese Technologien sind bereits in der Verteidigungstechnik und in Highend-Backhaul-Verbindungen etabliert. Jetzt müssen sie bezüglicher ihrer Größe und Kosten skaliert werden, um auch Consumer-Anwendungen abzudecken. Damit ergeben sich neue Herausforderungen beim Testen der Geräte und Technologien, um die Anforderungen der Verbraucher sowie die Interoperabilität und weltweites Roaming bei der Mobilfunkkommunikation zu erfüllen. Beim Aufbau und der Aktivierung der 5G-Zellenstandorte ergeben sich neue Herausforderungen hinsichtlich der Netzwerkabdeckung, da die Betreiber mit der Strahlformung und dessen Verwendung bisher wenig Erfahrung haben.

Die Hersteller von Test- und Messgeräten sehen sich daher mit mehreren neuen Anforderungen konfrontiert: größere HF-Bandbreite (bis zu 1 GHz Signalbandbreite), höhere Frequenzen (Betrieb bis 43 GHz) und höhere Datenraten (bis 10 GBit/s). Diese werden größtenteils durch das Skalieren der Testausrüstung und neueste Techniken bei der Implementierung abgedeckt. Obwohl es dabei Herausforderungen hinsichtlich der Kosten und des Stromverbrauchs gibt, treten dabei keine grundlegenden technologischen Herausforderungen auf.

Der Testbereich, der sich am meisten geändert hat, ist der Bereich „Over-the-Air“-Tests und die Konformitäts- und Zertifizierungstests. Da die HF-Übertragung und Antennen in die Basisstationen und Geräte (UE; User Equipment) integriert sind, gibt es keinen diskreten Anschluss, über den ein Funk-Transceiver getestet werden kann. Die HF-Parameter (Leistung, Modulation, In-Band- und Out-of-Band-Emissionen usw.) können deshalb nur über eine Antennenkopplung „über Funk“ (OTA) gemessen werden. Dieser OTA-Test bringt neue Herausforderungen in Bezug auf die Testmethode (wie man die Geräte dreht, welche Winkel gemessen werden, wie die Leistung integriert und auf äquivalente isotrope Parameter extrapoliert wird), genauso wie auf die Testtoleranz und Messunsicherheit. Gerade bei Zertifizierungsprüfungen müssen die Toleranzen und Messunsicherheiten sehr gut kontrolliert werden. Die OTA-Kopplung führt jedoch zu vielen Unsicherheitsquellen (Position, Antennenkopplung, Ausbreitungsverlust usw.). Daher wurde innerhalb der 3GPP-Standardgruppen (RAN 4 & 5) daran gearbeitet, diese Unsicherheiten zu bewerten und sicherzustellen, dass die Zertifizierungstests von Anbietern von Testgeräten durchgeführt werden können. Diese Studien haben sich mit Testkammern für strahlendes Nahfeld (NF), direktes Fernfeld (DFF) und indirektes Fernfeld (IFF) sowie mit den Black-Box-/Grey-Box-/White-Box-Ansätzen zur Messunsicherheit befasst.

Beispiel für ein OTA-Testsystem

Ein Beispiel für ein solches System ist die Testplattform MT8000A und das OTA-Testkammersystem MA8171A von Anritsu. Das System verfügt über einen 5G-Netzwerksimulator, sodass Geräte und Chipsätze im Labor auf ihren korrekten Betrieb in 3GPP-Netzwerken getestet werden können. Es bietet eine sehr detaillierte Steuerung und Analyse der Signalisierungsparameter, um eine gründliche Fehlerbehebung der Geräte zu ermöglichen. Dies umfasst die HF-Parameter (Modulations- und Spektraleigenschaften), Protokollstack und Signalisierung sowie Beam-/Strahlmessungen. Um OTA-Tests zu unterstützen, enthält das MT8000A auch eine vollständige „OTA-Messsuite“, mit der sich relevante Parameter wie TRP/EIRP messen lassen. Dabei kommt auch die OTA-DFF-Testkammer MA8171A zum Einsatz, welcher die Positionierer, Controller, Antennen und Kalibrierungskits enthält und direkt über die Steuerungs-GUI des MT8000A angesteuert wird. Für fortschrittlichere Beam-Management-Tests lassen sich mehrere Antennen in die Kammer des MA8171A einbauen (um unterschiedliche Ankunftswinkel zu simulieren) und mehrere Strahlleistungen von einem einzelnen Antennenpunkt erzeugen (zur Simulation der Strahlablenkung). Werden HF-Konformitätstests durchgeführt, ist eine große „Ruhezone“ erforderlich, damit ein ganzes UE gedreht und mit der erforderlichen Genauigkeit gemessen werden kann. Diese Art der Messung verwendet die IFF-Methode, um Verluste zu reduzieren, wobei ein Reflektor zum Falten und Fokussieren des Strahls verwendet wird: CATR (Compact Antenna Test Range). Der MA8172A CATR von Anritsu ist eine solche Kammer und lässt sich vollständig in den MT8000A integrieren und automatisch steuern, um 3GPP-HF-Konformitätstests auszuführen.

Autor: Jonathan Borrill, Anritsu Corporation

www.anritsu.com/

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