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6G: Kanalmessung von Millimeter-Wellen

| Autor / Redakteur: Dr. Taro Eichler * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Für eine künftige Mobilfunkkommunikation 6G ist es wichtig, die Ausbreitungseigenschaften elektromagnetischer Wellen in einem Millimeterwellen-Funkkanal zu verstehen. Die Forschungen dazu laufen.

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6G im Blick: Für die Entwicklung zukünftiger Standards wie 6G müssen sich Entwickler ein Bild über die 
Ausbreitungseigenschaften elektromagnetischer Wellen machen.
6G im Blick: Für die Entwicklung zukünftiger Standards wie 6G müssen sich Entwickler ein Bild über die 
Ausbreitungseigenschaften elektromagnetischer Wellen machen.
(Bild: ©WrightStudio - stock.adobe.com)

Die Ausbreitungseigenschaften der elektromagnetischen Wellen in einem Millimeterwellen-Funkkanal und das entsprechende Verständnis sind entscheidend bei der Entwicklung zukünftiger Standards für die Mobilfunkkommunikation wie 6G. Rohde & Schwarz hat zusammen mit zwei Fraunhofer-Instituten einen Zeitbereichs-Channel-Sounder für das Band von 300 GHz entwickelt.

Der Aufbau flächendeckender 5G-Netze und die sukzessive Bereitstellung aller vorgesehenen Optionen in den FR1- und FR2-Frequenzbändern wird die Industrie noch auf Jahre hinaus beschäftigen. Unterdessen widmet sich die Forschung bereits den Grundlagen für die Nachfolgegeneration 6G [1] [2].

Einige der Technologiekandidaten dafür, wie neue Wellenformen als Alternative zu OFDM oder der Full-Duplex-Betrieb, wurden bereits für 5G diskutiert, aber nicht in den Standard übernommen. Weitere Forschungsschwerpunkte rund um 6G sind neue Netzwerktopologien, ultra-massive MIMO, Visible Light Communication (VLC), Quantenkommunikation (für intrinsisch abhörsichere Kommunikation) oder die Anwendung von Machine Learning für die Netzwerksteuerung und -optimierung.

Künftiger Standard 6G und das Terahertz-Spektrum

Werden in 5G erstmals Millimeterwellenfrequenzen mit großen Bandbreiten eingesetzt, um die für anspruchsvolle Echtzeitanwendungen wie die drahtlose Fabrikautomation nötigen Übertragungsraten zu ermöglichen, werden mit der in Umrissen erkennbaren 6G-Technologie noch einmal deutlich höhere Übertragungsraten und geringere Latenzzeiten angepeilt. Große zusammenhängende Frequenzbereiche mit Bandbreiten von mehreren Gigahertz finden sich aber nur im Sub-THz- und THz-Bereich, also oberhalb von 100 GHz (Bild 1).

Bisher waren dort schon weite Teile des D-Bands mit seinen Frequenzen von 110 bis 170 GHz für künftige Kommunikationsdienste vorgesehen. Auf der World Radio Conference (WRC-19) der ITU im Jahr 2019 kamen weitere Bänder zwischen 275 und 450 GHz hinzu. Fürs Erste konzentrieren sich die Forschungsarbeiten für 6G aber auf das D- und H-Band (Bild 1).

Modelle für die Kanäle ableiten

Bevor ein neuer Kommunikationsstandard entwickelt werden kann, müssen die Ausbreitungseigenschaften im geplanten Frequenzband verstanden und charakterisiert sein. Dann lassen sich Kanalmodelle ableiten, die Link-Level- und System-Level-Simulationen des neuen Standards erlauben. Dafür müssen die zugrunde liegenden Messdaten die untersuchten Umgebungen korrekt abbilden. Geometrie-basierte stochastische Kanalmodelle (GSCM) wie 3GPP TR 38.901 [3], gültig bis 100 GHz, basieren auf einer großen Zahl solcher Kanalmessungen in verschiedenen Umgebungsszenarien.

Die Entwicklung der Kanalmodelle, einschließlich ihrer Spezifizierung durch 3GPP, hat sich bis hin zu 4G auf den Frequenzbereich unterhalb von 6 GHz und quasi statische Umgebungen beschränkt. Mit 5G wurden dynamische und andersartige Umgebungsszenarien entsprechend neuer Anwendungsfälle relevant und der Frequenzbereich in den Millimeterwellenbereich erweitert.

Bild 1: Spektrum der für Mobilkommunikation nutzbaren Frequenzbänder. Die 5G-Bänder verteilen sich auf den Bereich unterhalb von 100 GHz. Die 6G-Forschung konzentriert sich auf das D- und das H-Band.
Bild 1: Spektrum der für Mobilkommunikation nutzbaren Frequenzbänder. Die 5G-Bänder verteilen sich auf den Bereich unterhalb von 100 GHz. Die 6G-Forschung konzentriert sich auf das D- und das H-Band.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Zu den möglichen Anwendungen von 5G gehören beispielsweise Automotive, Hochgeschwindigkeitszüge oder Industrieumgebungen. Die hierfür gewonnenen Kanalmodelle lassen sich aber nicht ohne Weiteres auf den Bereich jenseits von 100 GHz übertragen, wo 6G operieren soll. Mehr noch als im Millimeterwellenbereich wird in diesem Frequenzbereich die Ausbreitung durch den menschlichen Körper, Fahrzeuge oder Umweltbedingungen wie Regen stark beeinflusst.

Über Channel Sounding zum Kanalmodell

Die Kanalmessungen durch Channel Sounding liefern ein Bild der Ausbreitungseigenschaften von elektromagnetischen Wellen bei einer betrachteten Frequenz. Der Begriff Channel Sounding ist eine Anleihe aus der Sonartechnik: Von einem Schiff oder U-Boot werden kurze akustische Pulse ausgesendet und anschließend werden die Reflexionen im Zeitbereich aufgezeichnet. Sie ergeben ein brauchbares Abbild der Umgebung.

Bild 2: Prinzip des Channel Sounding. Zur Aufnahme der Kanalimpulsantwort (CIR) wird ein elektromagnetischer „Ping“ auf der interessierenden Frequenz gesendet und es werden alle rücklaufenden Signal­anteile erfasst.
Bild 2: Prinzip des Channel Sounding. Zur Aufnahme der Kanalimpulsantwort (CIR) wird ein elektromagnetischer „Ping“ auf der interessierenden Frequenz gesendet und es werden alle rücklaufenden Signal­anteile erfasst.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Während beim Sonar Sender und Empfänger räumlich zusammenfallen, sind beim Channel Sounding im elektromagnetischen Fall Sender und Empfänger räumlich getrennt. Ein kurzes moduliertes Signal mit exzellenten Autokorrelationseigenschaften übernimmt die Rolle des Ping, dessen Impuls-Antwort aufgenommen wird. Die Messung ist also eine Laufzeitmessung. Sie erfasst sowohl die direkte Ausbreitungskomponente (Line of Sight, LOS) als auch alle Reflexionen und Streuungen (Non Line of Sight, NLOS) von Objekten der Umgebung (Bild 2). Aus den Ergebnissen lassen sich die Modellparameter für den Kanal ableiten und deren Werte bestimmen.

Allgemein gilt, dass Objekte dann für elektromagnetische Wellen physikalisch sichtbar sind und als Reflektor oder Streuobjekt wirken, wenn sie mindestens so groß sind wie die Wellenlänge der einfallenden Welle. Bei höheren Frequenzen, wie bei 30 GHz, reflektieren daher bereits Objekte im Zentimeterbereich.

Forschungen gemeinsam mit Fraunhofer-Instituten

Rohde & Schwarz sammelt schon seit einigen Jahren Erfahrungen in Channel-Sounding-Projekten. So untersuchte Entwickler zusammen mit dem japanischen Netzbetreiber NTT DOCOMO den Frequenzbereich bis 150 GHz und präsentierte die Ergebnisse Ende 2018. Im Jahr 2019 lag ein 3GPP-Forschungsschwerpunkt zur Entwicklung neuer 5G-Kanalmodelle auf Industrie-Szenarien, etwa Produktionsumgebungen.

Zur Unterstützung von 3GPP führte Rohde & Schwarz Messungen in seinen Werken Memmingen und Teisnach durch, und zwar sowohl in den Millimeterwellen-Frequenzbändern bei 28 und 66 GHz als auch in dem für private Campus-Netze designierten Band bei 3,7 GHz [4]. Zusammen mit dem Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) und NTT DOCOMO wurden die Ergebnisse für das 3GPP-Meeting in Xian (China) im zweiten Quartal 2019 eingereicht.

Signale bis 320 GHz generieren und analysieren

Bild 3: Messaufbau für Kanalmessungen bei 300 GHz mit Vektorsignalgenerator R&S SMW200A und 
Signalgenerator R&S SGS100A sowie dem Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW43. Am oberen Bildrand 
ein Transceiver mit integrierten Hornantennen. Neben dem Channel Sounding zur Kanalcharakterisierung 
erlaubt der Aufbau auch Übertragungsexperimente mit neuartigen Wellenformen.
Bild 3: Messaufbau für Kanalmessungen bei 300 GHz mit Vektorsignalgenerator R&S SMW200A und 
Signalgenerator R&S SGS100A sowie dem Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW43. Am oberen Bildrand 
ein Transceiver mit integrierten Hornantennen. Neben dem Channel Sounding zur Kanalcharakterisierung 
erlaubt der Aufbau auch Übertragungsexperimente mit neuartigen Wellenformen.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Bild 4: Aufbau Channel-Sounding-System mit 300 GHz. Sendeseitig wird eine 2 GHz breite „Ping-Sequenz“ vom Signalgenerator R&S SMW200A auf einer Zwischenfrequenz erzeugt. Der THz-Transceiver (Fraunhofer IAF) hebt es in die Sendefrequenzlage, ein R&S SGS100A ist Lokaloszillator. Empfangsseitig erfolgt die Signalverarbeitung spiegelbildlich, abgeschlossen durch den Analysator R&S FSW.
Bild 4: Aufbau Channel-Sounding-System mit 300 GHz. Sendeseitig wird eine 2 GHz breite „Ping-Sequenz“ vom Signalgenerator R&S SMW200A auf einer Zwischenfrequenz erzeugt. Der THz-Transceiver (Fraunhofer IAF) hebt es in die Sendefrequenzlage, ein R&S SGS100A ist Lokaloszillator. Empfangsseitig erfolgt die Signalverarbeitung spiegelbildlich, abgeschlossen durch den Analysator R&S FSW.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Aktuell geht es um Kanäle bei noch deutlich höheren Frequenzen. Neben dem Fraunhofer HHI gehört mit dem Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF inzwischen ein weiteres Forschungsschwergewicht aus dem Fraunhofer-Kosmos zum Team. Zusammen hat man einen Forschungsaufbau entwickelt, der Signalgenerierung und -analyse im Frequenzband von 270 GHz bis 320 GHz mit einer Bandbreite von 2 GHz ermöglicht [5].

Das Signal kann zur Durchführung von Kanalmessungen und für Übertragungsexperimente mit neuartigen Wellenformen beaufschlagt werden. Das HHI arbeitet an der Signalverarbeitung, der Synchronisierung von Sender und Empfänger und an der Systemintegration. Vom IAF stammen die Millimeterwellen-Sende- und -Empfangsmodule.

Bild 5: Kanal-Impuls-Antwort (Channel Impulse Response, CIR) bei 300 GHz in einer IndoorUmgebung mit Vielfachreflexion. Die Distanz zwischen Sender und Empfänger betrug etwa 4 m. Typisch für eine Indoor-Umgebung ist die ausgeprägte Schulter mit vielen Reflexionen. Eine elektromagnetische Welle legt in 1 ns ca. 
30 cm zurück.
Bild 5: Kanal-Impuls-Antwort (Channel Impulse Response, CIR) bei 300 GHz in einer IndoorUmgebung mit Vielfachreflexion. Die Distanz zwischen Sender und Empfänger betrug etwa 4 m. Typisch für eine Indoor-Umgebung ist die ausgeprägte Schulter mit vielen Reflexionen. Eine elektromagnetische Welle legt in 1 ns ca. 
30 cm zurück.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Rohde & Schwarz steuert sein Know-how in Mess- und Funktechnik bei und stellt die nötigen Messgeräte zur Signalerzeugung und -auswertung. Die Bilder 3 und 4 zeigen den Versuchsaufbau. Die ersten Messungen bei 300 GHz belegen die für diesen Frequenzbereich beispiellose Dynamik des Messsystems (Bild 5). Zusammen mit dem Fraunhofer HHI und NTT DOCOMO sind weitere Messungen in verschiedenen Umgebungsszenarien in Vorbereitung, um diesen Sub-THz-Bereich systematisch zu charakterisieren.

Abschließendes Fazit: Der Mobilfunk der sechsten Generation wird zwar voraussichtlich erst in acht bis zehn Jahren eingeführt, seine Grundlagen sind jedoch längst Gegenstand der Forschung. Die Entwicklung der Kommunikation im Sub-THz-Band, die für 6G ins Auge gefasst wird, setzt ein gutes Verständnis der Wellenausbreitungseigenschaften in diesem bisher nicht hinreichend erforschten Frequenzbereich voraus.

Rohde & Schwarz kooperiert mit Forschungsorganisationen und Industriepartnern im Rahmen von Projekten, die diese Wissenslücke schließen sollen. Und gewinnt dabei nicht zuletzt wertvolle Erkenntnisse über die Anforderungen an die Messtechnik, die in einigen Jahren von der Mobilfunkindustrie benötigt werden.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 19/2020 (Download PDF)

Referenzen

[1] "5G Evolution and 6G", NTT DOCOMO, Inc., White Paper, January 2020.
[2] "Key drivers and research challenges for 6G ubiquitous wireless intelligence", 6G flagship research program, University of Oulu, Finland, 2019.
[3] 3rd Generation Partnership Project (3GPP), "3GPP TR38.901 (V16.0.0): Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz," Oct. 2019.
[4] "Measurement and Characterization of an Indoor Industrial Environment at 3.7 and 28 GHz", to be published at EuCAP2020, https://arxiv.org/abs/2004.11561.
[5] "THz Channel Sounding: Design and Validation of a High Performance Channel Sounder at 300 GHz", to be published at IEEE WCNC2020, https://arxiv.org/abs/2001.06703

* Dr. Taro Eichler ist Market Segment Manager für Wireless Communications bei Rohde & Schwarz in München.

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