5G NR: Worauf Entwickler beim Test achten sollten

| Autor / Redakteur: Nick Ben * / Hendrik Härter

Komplexe System-Aufbauten: Beim Test vom 5G NR ist der Entwickler auf entsprechende Hardware angewiesen.
Komplexe System-Aufbauten: Beim Test vom 5G NR ist der Entwickler auf entsprechende Hardware angewiesen. (Bild: ©peshkov - stock.adobe.com)

Damit der Test an 5G NR nicht an komplexen System-Aufbauten, erhöhten System-Pfadverlusten oder langen Produktenwicklungszyklen leidet, benötigt der Entwickler entsprechende Messgeräte.

Mit der ungebremsten Nachfrage nach immer mehr Bandbreite, höheren Übertragsraten bei Daten und einer besseren Verfügbarkeit von Mobilfunknetzen kommen die Entwickler schnell an die Grenzen des physikalisch Machbaren. Hier bietet sich 5G NR an, welches ein zuverlässiges Kommunikationsnetzwerk bietet. Dazu nutzen die Entwickler bereits vorhandene und neue Techniken, um die sehr hohen Datendurchsätze zu erreichen. Auf Seiten des Tests ergeben sich neue Fragestellungen: Tests bei Millimeterwellenfrequenzen, größere Kanalbandbreiten und komplexere Mehrantennenkonfigurationen.

5G-NR-Mobilgeräte und -Basisstationen werden Sub-6-GHz- und Millimeterwellen-Designs einsetzen. Dazu muss die 3D-Strahlleistung optimiert und validiert werden. Das geschieht mit komplexeren OTA-Testkonfigurationen (Over The Air) mit großen Kanalbandbreiten und mehrkanaligen MIMO-Testanforderungen. Diese Komplexität erhöht die Anzahl der benötigten Instrumente und die Messunsicherheiten in Millimeterwellen-OTA-Systemen. Allerdings werden genaue und wiederholbare Messungen schwieriger.

5G und der Einsatz in unterschiedlichen Branchen

Trotz der möglichen Unwägbarkeiten eines sich ständig weiterentwickelnden 5G-NR-Standards bieten sich für 5G ganz verschiedene Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen an: Im Automobilbau sind die Reaktionszeiten autonomer Fahrzeuge um Größenordnungen schneller als die Reaktionszeiten des Menschen.

Beim Streamen von Unterhaltungs- und Multimediainhalten über Mobiltelefone und PCs kann die Downloadzeit eines durchschnittlichen Films von sieben Minuten auf sechs Sekunden verkürzt werden. Schließlich soll 5G im Internet der Dinge die Sicherheit und den Allgemeinzustand verbessern, indem es vernetzte Geräte mit hohen Datenübertragungsraten ermöglicht. Um dorthin zu gelangen, müssen zunächst drei anspruchsvolle Herausforderungen beim 5G-Test überwunden werden.

Komplexität des Testsystem-Aufbaus: 5G-Tests erfordern in der Regel komplexere Testaufbauten, um neue Mobilfunkdesigns zu charakterisieren. Frühe 5G-Anwendungen werden bei Frequenzen unter 6 GHz und mit Millimeterwellen zwischen 28 und 39 GHz betrieben. 5G erfordert zudem höhere Modulationsbandbreiten bis zu 2 GHz, um Spitzendatenraten zu unterstützen. Da 5G-Anwendungen mit Millimeterwellenfrequenzen arbeiten, haben sich bisherige leitungsgebundene Aufbauten zu Over-the-Air-Testaufbauten mit Phased-Array-Antennen entwickelt. Diese Antennen sind direkt mit dem RFIC (Radio Frequency Integrated Circuit) verbunden. Sie bieten eine hohe Verstärkung und Beamforming -Eigenschaften, die eine höhere Zuverlässigkeit bei Millimeterwellenfrequenzen ermöglichen.

System-Pfadverluste und lange Entwicklungszyklen

Höhere System-Pfadverluste: Da sich das Nutzsignal nicht mehr über ein physikalisches Kabelmedium, sondern über die Luft ausbreitet, ist mit einem System-Pfadverlust zu rechnen. Ein hoher System-Pfadverlust führt zu einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis (Signal Noise Ratio, SNR). Ein niedriger SNR verursacht bei Übertragungsmessungen schlechte Fehlervektorgrößen (Error Vector Magnitude) und ACPR (Adjacent Channel Power Ratio). Die Messungen zeigen nicht die tatsächliche Leistungsfähigkeit und gleichzeitig reduziert sich die Empfängerempfindlichkeit. Das Konzept der Antennenabstrahlungstests ist bekannt. Mit dem Wechsel von 4G auf 5G wird die OTA-Prüfung jedoch auch parametrische und funktionale HF-Leistungstests bei Millimeterwellenfrequenzen beinhalten. Die Tests reichen von EVM- und ACLR-Tests (Adjacent Channel Leckage Ratio) über Modem- bis hin zu Datendurchsatz-Tests.

Lange Produktentwicklungszyklen: Eine weitere Herausforderung durch den 5G-NR-Standard ist schließlich eine erhöhte Anzahl von Tests. Das kann zu längeren Produktentwicklungszyklen führen. Dies ist zum Teil auf Fälle zurückzuführen, in denen es schwierig ist, von zwei Interferenzkanaltests auf zweikanalige MIMO- und Beamforming-Tests umzustellen. Die Entwickler müssen auch bedenken, dass es mit dem neuen Standard mehr Testaufgaben und -szenarien gibt, die validiert werden müssen.

Darüber hinaus ist es zeitaufwendig auf einen Lieferanten warten zu müssen, um für die Anwendung eines sich entwickelnden Standards die neuesten 5G NR standardkonformen Signale zu erhalten. Diese Aufgaben sind nicht nur mühsam, sondern nehmen auch Zeit der eigentlichen Produktentwicklung in Anspruch, was zu Verzögerungen im Rennen um 5G führen kann.

Test von 5G NR: Die Wahl des richtigen Signalgenerators hilft, den Testsystem-Aufbau überschaubar zu halten, liefert die erforderliche Ausgangsleistung für gestrahlte Millimeterwellen-Tests und verkürzt den Produktentwicklungszyklus.
Test von 5G NR: Die Wahl des richtigen Signalgenerators hilft, den Testsystem-Aufbau überschaubar zu halten, liefert die erforderliche Ausgangsleistung für gestrahlte Millimeterwellen-Tests und verkürzt den Produktentwicklungszyklus. (Bild: Keysight)

Modulationsbandbreite bei 2 GHz

Bekanntermaßen erfordert 5G NR eine größere Modulationsbandbreite bei 2 GHz und arbeitet mit Millimeterwellenfrequenzen. Um beispielsweise einen Empfänger zu testen, muss ein Signalgenerator bestimmte Mindestanforderungen erfüllen. Mehrere Analysatoren beim 5G-Test ist nicht optimal. Alle Tests sollten in einem Gerät erfolgen. Das spart nicht nur die Zeit für den Testaufbau, sondern gleichzeitig wird der 3GPP-Standard für 5G schneller erfüllt.

Der Betrieb bei Millimeterwellenfrequenzen hat seine Vorteile, ein wesentlicher Nachteil sind jedoch die System-Pfadverluste. Um übermäßige Verluste auszugleichen, ist ein Signalgenerator mit hoher Ausgangsleistung erforderlich. Dieser muss über einen linearen Ausgangsbereich, weniger Verzerrung und geringes Phasenrauschen bei hohen Leistungen verfügen. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass keine Fehler durch den Signalgenerator entstehen. Um übermäßige Pfadverluste auszugleichen, wird die Ausgangsleistung des Signalgenerators erhöht und ein hochempfindlicher Signalanalysator verwendet.

Die Entwicklung eines Produkts verlangsamt sich, wenn kein zuverlässiger Signalgenerator zur Verfügung steht, der eine schnelle Umschaltung zwischen unabhängigen Interferenzkanaltests und zweikanaligen MIMO- und Beamforming-Tests ermöglicht. Signalquellen mit zwei integrierten Kanälen erlauben unterschiedliche Konfigurationen für 3GPP-Konformitätstests. Da die Software die aktuellen 5G-NR-konformen Signale bereitstellt, kann sich der Entwickler auf die Produktentwicklung konzentrieren.

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* Nick Ben ist für das Produkt-Marketing bei Keysight Technologies verantwortlich.

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