5G erfordert einen neuen Ansatz für drahtlose Tests

Charles Schroeder

5G hat das Potenzial, unser Leben erheblich zu verändern, sagt Charles Schroeder, Business and Technology Fellow bei National Instruments. Von besserer Geschäftskommunikation über intelligentere Häuser und Fabriken bis hin zu Fortschritten bei autonomen Fahrzeugen. Um solche Transformationen zu ermöglichen, müssen drahtlose 5G-Geräte schneller sein, eine geringere Latenz aufweisen und im Vergleich zu früheren Generationen eine beispiellose Konnektivität aufweisen. Infolgedessen werden sie komplexer aufgebaut und erfordern daher einen neuen Ansatz beim Testen

Zuvor hatten Testingenieure an einem anerkannten Satz von Messungen und Techniken iteriert, um drahtlose Kommunikationstechnologie in großen Mengen zu testen, von HF-Halbleitern bis hin zu Basisstationen und Mobiltelefonen. Mit 5G wird die Technologie in diesen drahtlosen Geräten komplexer, sodass die hochoptimierten Techniken, die zum Testen früherer Generationen verwendet wurden, überdacht werden müssen. Das Testen von 5G-Komponenten und -Geräten mit Over-the-Air-Methoden (OTA) anstelle der derzeit verwendeten kabelgebundenen Methoden ist erforderlich, um die Leistung der 5G-Technologie zu validieren.

Neue Technologien zur Erhöhung der Bandbreite

Eines der Hauptziele des 5G-Standards besteht darin, die Datenkapazität auf 10 Gbit/s pro Benutzer deutlich zu erhöhen, um den gestiegenen Benutzerdatenanforderungen gerecht zu werden. Um dies zu erreichen, werden jedoch neue Technologien eingeführt. Erstens beinhaltet die 5G-Spezifikation die Multiuser MIMO (MU-MIMO)-Technologie, die es Benutzern ermöglicht, gleichzeitig dasselbe Frequenzband durch Beamforming-Technologie zu teilen, wodurch für jeden Benutzer einzigartige, fokussierte drahtlose Verbindungen geschaffen werden. Zweitens fügt der 5G-Standard mehr drahtloses Spektrum hinzu und erweitert sich auf Zentimeter- und Millimeterwellen (mmWave)-Frequenzen.

Physische Implementierungen sowohl der MU-MIMO- als auch der mmWave-Technologie verwenden deutlich mehr Antennenelemente als frühere Generationen von Mobilfunkstandards. Die Gesetze der Physik schreiben vor, dass Signale bei mmWave-Frequenzen erheblich schneller abgeschwächt werden, wenn sie sich durch den freien Raum bewegen, als Signale bei den aktuellen Mobilfunkfrequenzen. Bei einem ähnlichen Sendeleistungspegel haben die mmWave-Mobilfunkfrequenzen also eine viel kleinere Reichweite als die aktuellen Mobilfunkbänder.

Um diesen Pfadverlust zu überwinden, werden 5G-Sender und -Empfänger Antennenarrays verwenden, die gleichzeitig arbeiten und die Beamforming-Technologie verwenden, um die Signalleistung anstelle der einzelnen Antenne pro Band in aktuellen Geräten zu erhöhen. Obwohl sie für die Erhöhung der Signalleistung wichtig sind, sind dieselben Antennenarrays und Beamforming-Techniken entscheidend für die Implementierung von MU-MIMO-Techniken.

Um all diese Antennen in die Mobiltelefone von morgen zu integrieren, werden die Antennen bei mmWave-Frequenzen viel kleiner sein als die Mobilfunkantennen, die für aktuelle Standards verwendet werden. Neue Verpackungstechnologien, wie Antenna-in-Package (AiP), erleichtern die Integration dieser Antennen in die beengten Platzverhältnisse moderner Smartphones, aber die Antennenarrays können ohne direkt kontaktierbare Testpunkte vollständig umschlossen werden.

Wie OTA neuen Herausforderungen begegnen kann

Für Testingenieure werden es die erhöhten Frequenzen, neue Gehäusetechnologien und eine größere Antennenanzahl erschweren, die Qualität hoch zu halten und gleichzeitig den Anstieg sowohl der Kapitalkosten (Kosten der Testausrüstung) als auch der Betriebskosten (Zeit zum Testen jedes Geräts) zu begrenzen. Neue OTA-Techniken werden helfen, diese Probleme zu überwinden, stellen aber auch einige Herausforderungen dar.

Erstens wird die Messgenauigkeit eine Herausforderung sein. Im Gegensatz zu Kabeltests müssen sich Testingenieure bei OTA-Messungen mit der zusätzlichen Messunsicherheit auseinandersetzen, die mit der Antennenkalibrierung und -genauigkeit, der Befestigungstoleranz und Signalreflexionen einhergeht. Zweitens müssen brandneue Messungen in Gerätetestpläne für die Integration von reflexionsarmen Kammern, Strahlcharakterisierung, optimale Codebuchberechnung und Antennenparametercharakterisierung integriert werden.

Drittens steigt mit fortschreitender Zunahme der HF-Bandbreiten auch der Verarbeitungsbedarf zum Kalibrieren und Durchführen von Messungen an diesen großen Bandbreiten, was die Bedenken hinsichtlich der Testzeit erhöht. Schließlich müssen Testmanager zusätzliche geschäftliche Überlegungen anstellen, um die Produktqualität sicherzustellen und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Markteinführungszeit, Kapitalkosten, Betriebskosten und Stellfläche (um die OTA-Kammern unterzubringen) zu minimieren.

Obwohl OTA Herausforderungen mit sich bringt, bietet es auch Vorteile. Erstens ist OTA die einzige Option für AiP-Technologien, da die Antennenarrays in ein Gehäuse integriert sind und keine Möglichkeit besteht, die Array-Elemente direkt zu verkabeln. Auch wenn Testingenieure mit leitungsgebundenen Testmethoden einzelne Antennenelemente kontaktieren könnten, stehen sie vor der schwierigen Wahl, diese parallel oder seriell zu testen (auf Kosten der Testzeit und des Durchsatzes). Viele technische Probleme müssen noch gelöst werden, aber der OTA-Test bietet die Möglichkeit, das Array als System anstelle eines Satzes einzelner Elemente zu testen, was zu den höheren Effizienzversprechen von System-Level-Tests führen könnte.

In der Vergangenheit haben Anbieter und Ingenieure von Prüfgeräten erfolgreich die Herausforderung gemeistert, die Leistung und Komplexität des Tests zu steigern und gleichzeitig die Markteinführungszeit und die Testkosten zu minimieren. Ich bin also zuversichtlich, dass sie es für 5G wieder tun können. Während die Herausforderungen beim Testen von 5G heute komplex erscheinen, machen Ingenieure auf der ganzen Welt große Fortschritte bei der Entwicklung neuer Testinstrumente und -methoden wie OTA, die notwendig sind, um 5G morgen zu einem kommerziellen Erfolg zu machen.

Der Autor ist Charles Schroeder, Business and Technology Fellow, National Instruments