EMV im Mobilfunk 6G: Channel Sounding bei Sub-THz-Frequenzen

Autor / Redakteur: Caleb Dougherty und Greg Jue* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Eigenschaften der Kanalausbreitung bei Sub-THz-Frequenzen lassen sich mit dem Channel Sounding bestimmen. Ein Teststand sowie entsprechende Hard- und Software helfen bei der Messung. So funktioniert es.

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Bild 1: 
Das Channel Sounding und der Aufbau.
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Das Channel Sounding und der Aufbau.
(Bild: Keysight Technologies)

Die Forschungen zur sechsten Mobilfunkgeneration 6G befinden sich in einem sehr frühen Stadium. Doch die Vision für das, was die International Telecommunication Union Network 2030 nennt [1], nimmt Gestalt an. Die Industrie ist noch viele Jahre entfernt, Standards zu entwickeln [2].

Im Fokus der aktuellen Forschungen steht das Sub-Terahertz-Band (Sub-THz). Ziel ist eine hohe Durchsatzleistung im Sub-THz- (100 bis 300 GHz) oder THz-Spektrum (300 GHz bis 3 THz). Das erfordert extreme Modulationsbandbreiten.

Für 6G ist ein flexibler und skalierbarer Teststand notwendig. Nur über ihn bekommen Forscher Einblicke in die Leistung ihrer Designs. In einem White Paper [3] stellen die Autoren einen Teststand für das D-Band mit 110 bis 170 GHz und das G-Band mit 140 bis 220 GHz vor.

Die Qualität der Signalformen lässt sich mithilfe von Error-Vector-Magnitude-Messungen (EVM) bei Modulationsbandbreiten von bis zu 10 GHz belegter Bandbreite ermitteln. Die Signalform-Kandidaten für 6G lassen sich über leistungsstarke Mehrkanalgeräte und -hardware zusammen mit flexibler Signalerzeugungs- und Analysesoftware bewerten.

Die EVM-Systemleistung und die Kanaleigenschaften

Sub-THz-Frequenzen sind mit vielen Unbekannten verbunden. Eine Schlüsselaufgabe der Forscher ist es, die EVM (Error Vector Magnitude) zu bestimmen. Das ist bei den neuen Frequenzbändern und extremen Modulationsbandbreiten eine komplexe Aufgabe. Die Kanaleigenschaften sind eine weitere Unbekannte. Datenraten von bis zu 100 GBit/s oder mehr erfordern hohe Symbolraten mit großen Modulationsbandbreiten.

Große Bandbreiten im D-Band

Der Beitrag zeigt ein Beispiel, wie ein Sub-THz-Teststands von Keysight angewandt wird, um 6G Channel Sounding mit großen Bandbreiten im D-Band zu untersuchen. Der Teststand verwendet die Channel-Sounding-Signalerzeugungs- und -Analysesoftware mit dem gleichen Hardware-Setup, das für EVM-Messungen verwendet wird. Damit wird demonstriert, wie unterschiedliche Forschungsbereiche mit dem gleichen System abgedeckt werden können.

Beim Channel Sounding misst man die Reaktion eines Kanals auf einen Impuls. Wenn der Kanal linear und zeitinvariant ist, lässt sich die Reaktion auf ein in den Kanal eingespeistes Signal vorhersagen. Das liegt daran, dass jedes Signal als eine lineare Kombination von Impulsen ausgedrückt werden kann. Die Antwort des Kanals auf jeden Impuls (Abtastwert) im Signal lässt sich berechnen und dann die Antworten addieren. So erhält man die Gesamtantwort auf das Signal. Der Vorgang ist auch als Faltung bekannt.

Drei wichtige Schritte für das Channel Sounding

  • Ein bekanntes Signal in den Kanal senden,
  • das Signal nach dem Kanal erfassen und
  • die Kanalantwort berechnen, indem das gesendete Signal mit dem empfangenen Signal verglichen wird.

Bild 2: Der Messaufbau des Channel Soundings im D-Band.
Bild 2: Der Messaufbau des Channel Soundings im D-Band.
(Bild: Keysight Technologies)

Den Messaufbau eines Channel Sounding für das D-Band zeigt das Bild 2. Der Teststand misst die EVM im D- und G-Band. Das notwendige Signal für das Channel Sounding erzeugt die Software PathWave Signal Generation von Keysight für benutzerdefinierte Modulation. Analysiert wird das Signal von der Software PathWave Vector Signal Analysis (VSA). Die Software läuft auf dem AXIe-Embedded-Controller-PC, der sich im selben Gehäuse befindet wie der Arbiträrsignalgenerator M8195A von Keysight.

Den Teststand und den Signalflussprozess einrichten

Hier die Schritte, um den Teststand und den Signalflussprozess einzurichten:

  • PathWave Signal Generation erzeugt und überträgt das Channel-Sounding-Signal an den AWG M8195A. Damit wird das modulierte ZF-Signal bei 6 GHz erzeugt.
  • Die ZF mit 6 GHz wird mit einem D-Band-Aufwärtswandler von Virginia Diodes auf 144 GHz hochkonvertiert.
  • Das Channel-Sounding-Signal wird mit einer Sende-Hornantenne in die Kammer mit Reflektoren (Kanal) gesendet. Eine Empfangs-Hornantenne empfängt das Signal.
  • Das empfangene Signal wird mit einem D-Band-Abwärtswandler auf eine ZF herunter gewandelt.
  • Mit dem Mehrkanal-Oszilloskop UXR wird das ZF-Signal erfasst und digitalisiert.
  • Die PathWave VSA-Software erfasst die Daten des Oszilloskops und analysiert das digitalisierte ZF-Signal.

Bild 3: Die Innenansicht einer Kammer mit Reflektoren (links) und die Draufsicht (rechts).
Bild 3: Die Innenansicht einer Kammer mit Reflektoren (links) und die Draufsicht (rechts).
(Bild: Keysight Technologies)

Hornantennen mit einer Strahlbreite von 9 bis 10° senden und empfangen das Channel-Sounding-Signal Over the Air. In der Kammer platzierte Reflektoren veranschaulichen den Effekt des Mehrweges in Bild 3. Laserpointer auf den VDI-Konvertern helfen, die Strahlen auf die Reflektoren zu richten. Die beiden Reflektoren in der HF-Kammer bilden einen bekannten Kanal. Die Testgeräte sowie die Tx- und Rx-Antennen befinden sich auf einem Tisch vor der Kammer. In der Draufsicht (Bild 3) ist das schwarze Rechteck der Tisch.

Die orangefarbenen Kästen sind die Messgeräte auf dem Tisch. Die Reflektoren sind etwa einen und zwei Meter von den Tx- und Rx-Antennen entfernt. Während der Übertragung des Sondierungssignals sieht die Rx-Antenne zwei Hauptreflexionen des übertragenen Signals, die zeitlich voneinander getrennt sind.

Bei 6G das Channel Sounding messen

Bild 4: Eine Messung des Channel Soundings bei 144 GHz mit dem PathWave VSA.
Bild 4: Eine Messung des Channel Soundings bei 144 GHz mit dem PathWave VSA.
(Bild: Keysight Technologies)

Die Parameter der PathWave VSA müssen mit den in Signal Studio konfigurierten Parametern übereinstimmen: Länge = 512, Symbolrate = 4 GHz, Standard-RRC-Filterung. Dann generiert der Teststand das Channel-Sounding-Signal und lädt es auf den AWG M8195A. Das Bild 4 zeigt die Channel-Sounding-Messung bei einer Frequenz von 144 GHz. Rechts ist die Kanalantwort im Frequenzbereich (oben) und im Zeitbereich (unten) dargestellt.

Interessant ist die Impulsantwort (untere Kurve). Diese Kurve zeigt die Reflexionen des Impulses, der mit verschiedenen Verzögerungen in den Kanal gesendet wird. Diese Informationen umfassen ihre zeitliche Lage, Amplitude und Phase relativ zum Messträger, wenn das Kurvenformat so eingestellt ist, dass die Phase angezeigt wird. Die Spitze tritt bei Zeit = 0 auf, in der Mitte der Kurve.

Die Hauptspitze liegt etwa 45 dB über dem Grundrauschen. Ein Teil des Rauschens enthält Gaußsches Rauschen, das über die Zeit unkorreliert ist. Mehrere Kanalantwortmessungen können gemittelt werden, wobei der unkorrelierte Teil der Leistung gegen Null gemittelt wird (Vektor-Mittelung).

Das erreicht man, wenn man Parameter Anzahl der Wiederholungen erhöht. Mit diesem Ansatz lässt sich das Signal aus dem Rauschen extrahieren, wenn die Messung bei weniger Wiederholungen Schwierigkeiten bei der Synchronisierung hat. Hier sollte man sich bewusst machen, dass die Aktualisierungsrate der Messung abnimmt und die Messung empfindlicher gegenüber Symboltaktfehlern wird.

Die Messgrößen EVM, BER und Datendurchsatz

Bild 5: Die gewonnenen Ergebnisse im PathWave VSA nach einer Vektor-Mittelung.
Bild 5: Die gewonnenen Ergebnisse im PathWave VSA nach einer Vektor-Mittelung.
(Bild: Keysight Technologies)

Der Mittelwert lässt sich ebenfalls über die Kanalantwort (Bild 5) und mehrere Messungen mitteln. Dazu wählt man im Menü MeasSetup > Average > RMS Video (Exponential) und setzt den Standardtyp auf RMS. Diese Methode verwendet die RMS-Mittelung für einige der VSA-Ergebnisse und die Vektor-Mittelung für die Kanalantwortkurven. Nach der Mittelwertbildung liegt die Hauptspitze etwa bei 70 dB über dem Grundrauschen. Das ist eine Verbesserung von 25 dB.

Die Channel-Sounding-Lösung unterstützt mehrere Empfangskanäle, so dass sich relative Unterschiede in den Kanalantworten messen lassen. Das ist hilfreich, wenn Antennen in verschiedene Richtungen zeigen oder unterschiedliche Polarisationen haben. Das Channel Sounding in Sub-THz-Frequenzbändern für 6G wird für die Grundlagenforschung verwendet, um die Eigenschaften der Kanalausbreitung zu bestimmen. Zu den wichtigsten Messgrößen gehören EVM, BER und Datendurchsatz. Damit lassen sich einzelne Übertragungsraten von 100 GBit/s erreichen.

Große Modulationsbandbreiten von bis zu 10 GHz belegter Bandbreite führen zu erheblichen linearen Amplituden- und Phasenbeeinträchtigungen, sowohl durch die Funkhardware als auch durch den Kanal.

Referenzen

[1] Network 2030 - A Blueprint of Technology, Applications and Market Drivers Towards the Year 2030 and Beyond.(PDF).

[2] 6G: TU München startet Großprojekt. „Wir schaffen Grundlagen, damit Deutschland bei 6G führend wird“. ELEKTRONIKPRAXIS 2021.

[3] Whitepaper PDF. A New Sub-Terahertz Testbed for 6G Research. Keysight Technologies.

* Caleb Dougherty ist Software R&D Engineer im PathWave Vector-Signal-Analysis-Software-Team. Greg Jue ist 5G/6G System Engineer und arbeitet an Millimeterwellen-Anwendungen jenseits von 50 GHz. Beide arbeiten bei Keysight Technologies.

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