5G: Komponententests over the Air sind entscheidend

| Autor / Redakteur: Christoph Pointner * / Hendrik Härter

Fünfte Mobilfunkgeneration: 
Bei 5G ist ein drahtbebundener Test oft nicht möglich. Dann ist ein OTA-Test notwendig.
Fünfte Mobilfunkgeneration: 
Bei 5G ist ein drahtbebundener Test oft nicht möglich. Dann ist ein OTA-Test notwendig. (Bild: Rohde & Schwarz)

Endgeräte und Basisstationen für die fünfte Mobilfunkgeneration sind viel höher integriert als LTE-Modelle. Zudem gibt es erheblich mehr Gerätevarianten. Bei ihrer Entwicklung werden OTA-Tests eine entscheidende Rolle spielen.

Mit Over-the-Air (OTA)-Tests lässt sich die Zuverlässigkeit und Performance von Wireless-Geräten wie Mobiltelefonen, Tablets sowie auch Basisstationen bewerten und zertifizieren. Hierbei ist es unerlässlich, solche OTA-Tests in einer Umgebung durchzuführen, die den tatsächlichen Einsatzbedingungen möglichst nahekommt. Dabei werden sich die Tests der Komponenten für die künftige 5G-Umgebung erheblich von denen für 4G/LTE unterscheiden.

Ein einfaches und zugleich kostengünstiges Verfahren ist es, die Mobilgeräte über Kabel mit der Testausrüstung zu verbinden. Doch so simuliert der Tester nicht das tatsächliche Verhalten der Geräte unter realen Einsatzbedingungen. Mit zunehmendem Integrationsgrad der Geräte eignet sich diese Methode immer weniger. Netzbetreiber, die höhere Frequenzen nutzen müssen, um die notwendigen Bandbreiten für 5G zu erhalten, werden vor große Herausforderungen gestellt. Um Mobilgeräte unter realistischen Bedingungen testen zu können, müssen die Tests drahtlos über die Luftschnittstelle erfolgen. Die Entwickler können so die tatsächliche Ausbreitung der Funkwellen durch die Luft von einem Endgerät zur Basisstation und umgekehrt von der Basisstation zum Endgerät prüfen.

Zwei Gründe für einen OTA-Test bei 5G

Bei den Entwicklungen für 5G werden vor allem aus zwei Gründen OTA-Tests notwendig: Erstens nimmt der Integrationsgrad der Prüflinge erheblich zu, sodass es technisch nicht mehr möglich ist, die Prüflinge über Kabel mit der Testausrüstung zu verbinden. Schon deshalb gibt es keine Alternative zu OTA-Tests.

Zweitens sind die Signalabsorptionsraten bei Frequenzen im Millimeterwellenbereich wesentlich höher. Um hier einen ausreichenden Signalpegel zu erzielen, ist eine Fokussierung und Formung des Sendestrahls erforderlich (Beamfocusing/-forming) (Bild 1). Entsprechend werden Testaufbauten für die Strahlcharakterisierung sowie die Prüfung der Strahlerfassung und -nachführung notwendig. Nur OTA-Testsysteme bieten diesen Funktionsumfang.

Der aktuelle Stand der OTA-Testtechnik

Zahlreiche Regulierungsbehörden, Normungsorganisationen, Industriegremien und Netzbetreiber schreiben Tests von Mobilfunkgeräten über die Luftschnittstelle vor. Um den weltweiten Zugang und die Interoperabilität der Mobilfunksysteme sicherzustellen, wurden Zertifizierungstests entwickelt, damit Hersteller weltweit bei allen neuen Mobilgeräten die gleichen Qualitätsstandards einhalten. Die Cellular Telephone Industries Association (CTIA) hat Standards für OTA-Tests von 3G- und 4G LTE-Geräten festgelegt und verfügt über Zertifizierungslabore auf der ganzen Welt. Es wurden Mindestanforderungen für die OTA-Performance im Hinblick auf die beim Senden abgestrahlte Leistung und die Empfindlichkeit des Empfängers definiert, sodass alle Anrufe unter vordefinierten Bedingungen empfangen werden. Insbesondere in den USA haben auch die Netzbetreiber Mindestanforderungen an die Leistung vorgegeben, die erfüllt sein müssen, bevor ein neues Gerät zum Betrieb im jeweiligen Netzwerk zugelassen wird.

In der Regel werden während der F&E-Phase für alle Geräte, die elektromagnetische Wellen aussenden, über die Luftschnittstelle getestet. Bei aktuellen Mobiltelefonen sollen die Tests beispielsweise sicherstellen, dass das Signal homogen ist, also das gleiche Signal in alle Richtungen ausgesendet und umgekehrt aus allen Richtungen empfangen wird (Bild 2). Es ist wichtig, dass die Antenne in alle Richtungen sendet, damit sich der Benutzer nicht in eine bestimmte Richtung drehen muss, um ein gutes Signal zu erhalten. Außerdem darf die Funkverbindung nicht abreißen, wenn sich der Benutzer an einem hohen Gebäude vorbeibewegt. Für F&E ausgelegte OTA-Testausrüstung ist insbesondere nützlich, um bereits in einer frühen Phase der Produktentwicklung potentielle Probleme zu identifizieren.

Die Auswirkungen von 5G auf OTA-Tests

Um Platz für die zusätzlichen Benutzer und die verlangten größeren Bandbreiten und höheren Datenraten zu schaffen, müssen die Mobilfunkbetreiber auf höherfrequente Bänder im Zentimeter- und Millimeterwellenbereich zurückgreifen. Sie liegen bei 30, 40, 50, 60 oder sogar 90 GHz. So wie die Wellenlänge umgekehrt proportional zur Frequenz ist, nimmt auch die Sendereichweite für einen bestimmten Leistungspegel mit der Frequenz ab. Neue Entwicklungen sollen die Verluste durch Freiraumdämpfung, Luftabsorption, Streuung durch Regen und Gase sowie Abschattung eindämmen. Das erhöht den Integrationsgrad von 5G-Komponenten erheblich. Bei solchen Geräten sind Tests über Kabelverbindungen extrem schwierig oder oft sogar physisch unmöglich durchzuführen. Deshalb werden OTA-Tests für 5G eine entscheidende Rolle spielen.

Die Signalabsorption im Zusammenhang mit den oben beschriebenen Verlustquellen nimmt bei höheren Frequenzen erheblich zu. Um dennoch die notwendige Kommunikationsreichweite zu gewährleisten, müssen die Hersteller entweder die Senderleistung erhöhen oder die vom Mobilfunkgerät abgestrahlte Energie auf einen starken, schmalen Strahl konzentrieren. Hierfür werden neue Antennenstrukturen und Antennenarrays benötigt, die dafür sorgen, dass die Strahlen korrekt fokussiert werden.

Die fokussierten Strahlen benötigen eine räumliche oder direktionale Komponente, um sicherzustellen, dass der Strahl in die richtige Richtung weist und das System den Strahl umschalten kann, wenn ein Kommunikationskanal blockiert ist. Die Beamforming-Methode erweitert das als MIMO (Multiple Input Multiple Output) bekannte Mehrantennenkonzept, da eine Basisstation nun gleichzeitig an mehrere, unabhängig voneinander positionierte Endgeräte Daten senden kann. Durch das Beamforming reduziert sich der Energieverbrauch, weil die Hauptsendekeule direkt ein Endgerät mit dem ihm zugewiesenen Signal anspricht, während andere Endgeräte explizit ausgenommen sind (Bild 3). Diese werden somit auch nicht durch das Signal gestört.

Der Einsatz von Steckverbindern zum Testen wird aufgrund der hohen Kosten, der hohen Verluste und des Kopplungsgrads (Bild 4) nicht möglich sein. Zudem sind bei sogenannten Massive-MIMO-Systemen mit 64 bis 128 polarisierten Antennen die Transceiver in den Antennen integriert, was zu einem Wegfall der HF-Testports führt (Bild 5). Hier kann die Funk- und Antennenleistung des Prüflings allein über die Luftschnittstelle gemessen werden. Deshalb sind OTA-Tests für 5G von fundamentaler Bedeutung. Sie sind die Voraussetzung für die Entwicklung neuer Designs und deren Zertifizierung. Die Testsysteme für 5G werden voraussichtlich im Wesentlichen die gleichen Grundkomponenten wie bisher aufweisen, jedoch angepasst für die höheren Frequenzen.

Die Systemkomponenten für einen OTA-Test

Die Schlüsselkomponenten eines OTA-Testsystems sind eine Prüfkammer mit einer Positionierungsausrüstung, Messgeräte zur Erzeugung und Analyse der Signale sowie Messantennen. Hinzu kommt eine Steuerungs- und Reporting-Software zur Automatisierung der Messungen (Bild 6). Die Kommunikation zwischen dem Prüfling und der Messantenne muss so eingerichtet werden, dass das zu testende Gerät die Signale ordnungsgemäß sendet und empfängt. OTA-Tests werden heute in einer idealen, also einer geschirmten und gekapselten Umgebung innerhalb einer reflexions- und echofreien Absorberkammer ausgeführt. Diese Kammer ist mit Schaumstoffpyramiden zur Absorption reflektierter Signale ausgekleidet. Ihre Größe hängt vom Objekt und den zu testenden Frequenzbereichen ab. Die Tests berücksichtigen die Abstrahleigenschaften der Geräte, während Störungen durch alle anderen Signalquellen minimiert werden.

Inhalt des Artikels:

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45256181 / 5G Mobilfunk)