Optimiertes 5G-Antennendesign: Mehr Bandbreite zu geringeren Kosten

| Redakteur: Michael Eckstein

Keule schwingen: Per Roboter vermisst NIST-Forscherin Jelena Senic die Performance unterschiedlicher Strahlungskeulenmuster.
Keule schwingen: Per Roboter vermisst NIST-Forscherin Jelena Senic die Performance unterschiedlicher Strahlungskeulenmuster. (Bild: NIST)

Ein neues Verfahren des National Institute of Standards and Technology (NIST) soll das Entwickeln optimierter Antennendesigns für zukünftige Mobiltelefone, Funkgeräte und Basisstationen erleichtern. Die Methode könnte zukünftig auch dazu beitragen, die 5G-Netzkapazität zu erhöhen und Entwicklungskosten zu senken.

Die NIST-Untersuchung ist nach Angaben des US-Instituts die erste detaillierte messtechnische Studie darüber, wie Strahlbreite und Ausrichtung einer Antenne mit der Umgebung zusammenwirken und Signalübertragung in Millimeterwellen-(mmWave-)Funkspektren beeinflussen. Die NIST-Messungen, die einen weiten Bereich von Antennenstrahlwinkeln abdecken, werden in ein omnidirektionales Antennenmuster umgewandelt, das alle Winkel gleichermaßen abdeckt. Dieses omnidirektionale Muster kann dann in schmale Strahlbreiten unterteilt werden. Benutzer können bewerten und modellieren, wie die Antennenstrahlcharakteristik bei bestimmten Arten von Funkkanälen funktionieren soll.

Mithilfe des Verfahrens soll ein Entwickler demnächst eine Antenne auswählen können, die am besten zu einer bestimmten Anwendung passt. So kann er beispielsweise eine Strahlbreite wählen, die schmal genug ist, um Reflexionen an bestimmten Oberflächen zu vermeiden. Oder die es ermöglicht, mehrere Antennen in einer bestimmten Umgebung störungsfrei nebeneinander zu betreiben.

mmWave-Spektren werden stark gedämpft

Das mmWave-Spektrum reicht von 30 bis 300 GHz. Die Wellenlänge in diesem Bereich liegt zwischen 10 und 1 mm – daher der Name. 5G kann Teile dieses Frequenzspektrums nutzen – anders als bisherige Mobilfunktechniken. Gleiches gilt für WLAN: Der WLAN-Standard IEEE 802.11ad arbeitet beispielsweise bei 60 GHz und erreicht Übertragungsraten von bis zu 7 GBit/s.

Die mmWave-Frequenzbänder sind bislang relativ wenig frequentiert und ermöglichen daher eine von anderen Funkquellen weitgehend ungestörte Übertragung. Doch kein Vorteil ohne Nachteil: Mit steigender Frequenz sinkt die Reichweite der Funksignale. Bereits die Luftmoleküle reichen aus, um hochfrequente Funkwellen stark zu dämpfen. Je feuchter die Luft, desto höher die Dämpfung. Die Empfangssignalstärke sinkt drastisch.

Eine Lösung sind „Smart Antennas“. Diese sind in der Lage, durch Beamforming die Sende- und Empfangs-Strahlungskeule zu verengen beziehungsweise zu fokussieren. Ähnlich wie bei einem Gartenschlauch, dessen Spritzkopf man von breitgefächert auf Strahl umstellt, steigt die Reichweite in einem eng begrenzten Bereich. Smarte Antennen sind zudem in der Lage, die Sende- und Empfangsrichtung schnell zu ändern und so verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Signalen zu versorgen. Letztlich hat die starke Dämpfung im mmWave-Spektrum auch einen Vorteil: Die Trägerfrequenzen lassen sich bereits in recht geringem Abstand wiederverwenden, ohne dass sich Übertragungen darüber behindern.

Systemdesign mit der NIST-Methode

Die Weite der Strahlungskeule beeinflusst die Performance des Funksystems und muss daher bereits beim Design mit bedacht werden. Die neue Design-Methode des NIST soll Systementwicklern und Ingenieuren die Möglichkeit bieten, die am besten geeigneten Antennenstrahlbreiten für reale Umgebungen und ihren konkreten Anwendungsfall zu ermitteln. Dies könne dazu beitragen, die Entwicklungszeit und -kosten zu senken, „schließlich fallen dadurch viele bislang nötige Trial-and-Error-Versuche weg“, erklärt NIST-Ingenieurin Kate Remley.

Das Verfahren könne auch den Einsatz neuer Basisstationen beschleunigen, die entweder gleichzeitig oder in schneller Folge an mehrere Benutzer senden, ohne dass sich die Übertragungen behindern. „Dies wiederum würde die Netzwerkkapazität erhöhen und die Kosten bei höherer Zuverlässigkeit senken, sagt Remley.

Roboter hilft beim Entwickeln des NIST-Verfahrens

Bei der Entwicklung des Verfahrens ist das NIST-Team zunächst ganz pragmatisch vorgegangen und hat mithilfe eines Roboters Daten im Flur und in der Lobby eines NIST-Forschungsgebäudes gesammelt. Ein spezielles Messgerät hat Signalreflexionen, Beugungen und Streuungen erfasst, die zwischen einem Sender und einem Empfänger auftreten. Mit diesen Werten lassen sich statistische Darstellungen der Funkkanäle erstellen.

Die Ergebnisse der NIST-Studie bestätigen, dass enge Strahlungskeulen Signalstörungen und -verzögerungen deutlich reduzieren können und dass eine optimierte Strahlorientierung den Energieverlust während der Übertragung minimiert. So sank beispielsweise das Zeitintervall, in dem Signalreflexionen ankommen (RMS-Delay Spread), drastisch von 15 Nanosekunden (ns) auf etwa 1,4 ns, wenn die Antennenstrahlbreite von omnidirektional (360 Grad) auf schmale 3 Grad reduziert wurde. „Wir werden unser Verfahren noch erweitern, so dass es noch andere Eigenschaften von Funkkanälen umfasst“, blickt Remley nach vorn.

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