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5G läutet eine neue Ära der Mobilfunktests ein

Die Vorteile von 5G gehen mit einer höheren Komplexität einher.

Für das Testen von 5G-Technologien müssen neue Verfahren entwickelt werden.

5G erfordert neue, kostengünstigere Funktests.

image description Seit Beginn der Mobilfunkkommunikation nutzen Testingenieure im Prinzip dieselben Standardmessungen und -verfahren, um drahtlose Kommunikationstechnologien – von RF-Halbleitern über Basisstationen bis hin zu mobilen Endgeräten – in großem Umfang zu testen. 5G bringt jedoch deutlich komplexere Gerätetechnologien mit sich, weshalb die für vorherige Mobilfunkgenerationen optimierten Testverfahren überdacht werden müssen. Um die Leistung von 5G-Technologie zu validieren, ist es notwendig, 5G-Komponenten und -Geräte über eine Funkschnittstelle (Over the Air, OTA) zu testen, anstelle der bisher eingesetzten kabelbasierten Methoden. Testabteilungen benötigen daher neue Verfahren, um die Marktfähigkeit von 5G-Produkten und -Lösungen für zahlreiche Branchen und Anwendungsbereiche zu gewährleisten.

Höhere Bandbreiten

Eines der wichtigsten Ziele von 5G ist die deutliche Steigerung der Datenkapazität, um dem wachsenden Nutzerbedarf nachzukommen. Damit die anvisierten Spitzenbandbreiten von 10 Gbit/s pro Nutzer realisiert werden können, ist die Integration neuer Technologien erforderlich. Eine dieser Technologien ist Multi-User-MIMO (MU-MIMO), mit der sich dieselbe Frequenz auf mehrere Nutzer aufteilen lässt. Möglich wird dies durch Beamforming, wobei für jeden Nutzer eine eigene, dedizierte Drahtlosverbindung eingerichtet wird. Darüber hinaus wird 5G auch ein größeres Frequenzspektrum nutzen, das bis in den Zentimeter- und Millimeterwellen-Bereich (mm-Wellen) reicht.

image description Für die physische Implementierung sowohl von MU-MIMO- als auch mm-Wellen-Technologien sind deutlich mehr Antennenelemente notwendig als für vorherige Mobilfunkgenerationen. Nach den Gesetzen der Physik werden mm-Wellen-Signale bei der Übertragung durch die Luft wesentlich schneller gedämpft als bisherige Mobilfunksignale. Das bedeutet, dass mm-Wellen-Frequenzen bei einer ähnlichen Sendeleistung eine deutlich kürzere Reichweite haben als aktuell genutzte Mobilfunkbänder

Zum Ausgleich dieses Pfadverlustes werden 5G-Sender und -Empfänger – im Gegensatz zu den derzeitigen Geräten mit nur einer Antenne pro Frequenzband – Antennen-Arrays und Beamforming nutzen, um die Signalleistung zu verstärken. Die Antennen-Arrays und Beamforming-Technologien verbessern jedoch nicht nur die Signalleistung, sie sind auch unabdingbarer Bestandteil für die Implementierung von MU-MIMO-Verfahren.


image description Aber wie sollen all diese Antennen in die Mobilfunkgeräte von morgen passen? Glücklicherweise sind die Antennen für mm-Wellen-Frequenzen wesentlich kleiner als die derzeit verwendeten Antennen. Darüber hinaus vereinfachen neue Halbleitermodultechnologien wie AiP (Antenna in Package) die Integration der Antennen in den begrenzten Platz moderner Smartphones. Allerdings sind die Antennen dabei vollständig eingeschlossen und bieten somit keine direkten Kontaktpunkte für die Durchführung kabelgebundener Tests.

5G führt MU-MIMO-Mobilfunkfunktionen mit Aktivantennen-Arrays ein

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Mit Funktests neue Herausforderungen meistern

Durch den größeren Frequenzbereich, neue Halbleitertechnologien und die gestiegene Antennenzahl wird es für Testingenieure immer schwieriger, eine hohe Testqualität zu gewährleisten und dabei gleichzeitig die Kapitalkosten (für das Testequipment) und die Betriebskosten (der Zeitaufwand für das Testen jedes Geräts) zu deckeln. Hier können neue Funktestverfahren Abhilfe schaffen, die jedoch ihre eigenen Herausforderungen mit sich bringen.

Da wäre zunächst einmal die Messgenauigkeit. Im Gegensatz zu kabelgebundenen Tests kommen bei Funkmessungen diverse Messunsicherheiten durch die Antennenkalibrierung und -genauigkeit, die Befestigungstoleranz und die Signalreflektionen hinzu. Die zweite Schwierigkeit ist die Integration der neuen Messarten in die Gerätetestpläne, u. a. für Tests im schalltoten Raum, die Strahlcharakterisierung, die optimale Codebuchberechnung und die Charakterisierung der Antennenparameter. Und drittens steigen mit den RF-Bandbreiten auch die Verarbeitungsanforderungen für die Kalibrierung und Durchführung der Bandbreitenmessungen, was wiederum die Testzeiten verlängern kann. Zu guter Letzt müssen Testmanager auch noch sicherstellen, dass die Produktqualität stimmt und die Auswirkungen auf die Time-to-Market, die Kapital- und Betriebskosten sowie den Platzbedarf (für die Funktestkammern) so gering wie möglich ausfallen. Die Mess- und Prüftechnikbranche wird jedoch schnell auf diese Herausforderungen reagieren und in den kommenden Jahren mit innovativen Produkten aufwarten. Testabteilungen sollten hier auf hochgradig flexible, softwaredefinierte Teststrategien und -plattformen setzen, um mit zukünftigen Innovationen Schritt zu halten und ihre Investitionen so optimal auszuschöpfen.

Neben den Herausforderungen bieten Funktests aber auch wichtige Vorteile. So sind sie beispielsweise die einzige Möglichkeit für das Testen von AiP-Technologien, da die Antennen-Arrays, wie bereits erwähnt, keinen direkten Kabelzugang bieten. Und selbst wenn es einen Zugang zu den einzelnen Antennenelementen gäbe, müssten Testingenieure sich noch entscheiden, ob sie die Elemente parallel testen (wodurch mehr Messgeräte notwendig sind, was die Kapitalkosten in die Höhe treibt) oder seriell (was sich auf Testzeiten und -durchsatz und damit auf die Betriebskosten auswirkt). Auch wenn noch zahlreiche technische Aufgabenstellungen zu lösen sind, eröffnen Funktests die Möglichkeit, die Arrays als komplettes System anstelle einzelner Elemente zu testen, was wie bei anderen Tests auf Systemebene eine höhere Effizienz bedeutet.

In der Vergangenheit haben sich Testgerätehersteller und Testingenieure bereits erfolgreich der Herausforderung gestellt, immer leistungsfähigere und komplexere Geräte zu testen und dabei gleichzeitig die Time-to-Market und Testkosten zu verringern. Dies wird auch bei 5G wieder der Fall sein. Noch beinhalten 5G-Tests zahlreiche komplexe Anforderungen, aber überall auf der Welt arbeiten Ingenieure eifrig an der Entwicklung der notwendigen neuen Testgeräte und -verfahren wie z. B. Funktests, um 5G zum kommerziellen Erfolg zu führen.

Nächste Schritte

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Charles Schroeder

NI Business and Technology Fellow

NI Trend Watch 2019: Sicher in die Zukunft der Megatrends

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