Signalform-Kandidaten für 5G

Wie Messtechniklösungen von Rohde & Schwarz eingesetzt werden können, um potenzielle Signalformen für 5G zu erzeugen und zu analysieren.

In den heutigen LTE-/LTE-Advanced-Netzwerken wird OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) als Zugriffsschema genutzt. Für den Zugriff auf das Netzwerk werden zwei separate Signalformen verwendet: OFDM-Zugriff (OFDMA) im Downlink und SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) im Uplink. Beide Signalformen profitieren von OFDM als Multicarrier-Übertragungstechnik, leiden jedoch auch unter seinen Nachteilen, wie beispielsweise seiner hohen Empfindlichkeit gegenüber Frequenz- und Taktverschiebungen, einem hohen PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) und einer geringeren Spektrumsagilität.

Aufgrund der Empfindlichkeit gegenüber Frequenz- und Taktverschiebungen ist es erforderlich, regelmäßig Synchronisierungssignale sowie Referenzsignale in das allgemeine Signal einzubetten, und das Gerät und das Netzwerk müssen synchronisiert werden, bevor eine Kommunikation (ein Datenaustausch) stattfinden kann. Die begrenzte Spektrumsagilität in LTE ist von der Übertragung zwischen aufeinanderfolgenden OFDM-Signalen abhängig. Die Unstetigkeit (Phasenübergang) zwischen zwei OFDM-Symbolen während der Signalgenerierung verursacht Spektrumsspitzen im Frequenzbereich. Dies führt zu hohen Störaussendungen, deshalb wird häufig ein Schutzabstand definiert, um Störungen zwischen benachbarten Kanälen zu verhindern. OFDM-basierte Signale wie beispielsweise LTE verwenden außerdem eine lange Symboldauer sowie ein zyklisches Präfix, um eine Intersymbol-Interferenz (ISI) aufgrund der erwarteten Zeitdispersion des Funkkanals zu vermeiden.

Leistungsspektrum eines 20 MHz LTE Downlink-Signals mit Spektrumsspitzen, verursacht durch die OFDM-Signalerzeugung

Die Einschränkungen von auf OFDM basierenden Signalformen wurden als Forschungsthemen für zukünftige 5G-Signalformen identifiziert. Ein Aspekt ist die Forderung nach einer sehr viel kürzeren Latenzzeit, um neue Services und Anwendungen zu unterstützen, wie beispielsweise autonomes Fahren, wofür eine ultraniedrige Latenzzeit und eine sehr robuste Kommunikationsverbindung erforderlich sind. Ein weiterer Ansatz ist, das zyklische Präfix optional anzugeben und mit kürzeren Symboldauern zu arbeiten. All dies hat zu mehreren Kandidaten für 5G-Signalformen geführt, wie beispielsweise

  • GFDM (Generalized Frequency Division Multiplex)
  • FBMC (Filter Bank Multicarrier)
  • UFMC (Universal Filtered Multicarrier)
  • f-OFDM (Filtered OFDM)

Die Leistung dieser Signalformen wird derzeit analysiert und bewertet. Gleichzeitig werden neue Vielfachzugriffsschemen untersucht, unter anderem SCAM (Sparse Code Multiple Access), NOMA (Non-orthogonal Multiple Access) und RSMA (Resource Spread Multiple Access).

Derzeit wurde noch nicht entschieden, ob in einem zukünftigen 5G-System eine dieser Signalformen oder eines der Vielfachzugriffsschemen verwendet werden. Es bleibt den Standardisierungskommissionen überlassen, der IMT-2020-Gruppe in der ITU (Internationale Fernmeldeunion) ihren Vorschlag vorzulegen. Sie entscheiden, ob der Vorschlag als Technologie für ein 5G-Mobilfunkkommunikationssystem akzeptiert wird, das die von der ITU bei den WRC (World Radio Conferences) festgelegten Frequenzbänder nutzen darf. Man geht davon aus, dass dies zwischen heute und November 2019 passieren wird.

Testlösung für die 5G-Signalformerzeugung

R&S®SMW-K114 5G-Signalformkandidaten-Option für den R&S®SMW200A Vektorsignalgenerator.

Der R&S®SMW200A Vektorsignalgenerator von Rohde & Schwarz eignet sich ideal, um potenzielle Kandidaten für 5G-Signalformen zu erzeugen wie beispielsweise GFDM, FBMC, UFMC und f-OFDM. Die flexible grafische Benutzeroberfläche (GUI) gestattet eine einfache und unkomplizierte Änderung der Signalformparametrisierung, die Auswahl unterschiedlicher Impulsformungsfilter, der Filterlänge und der Sperrdämpfung, und sie unterstützt die Frequenzbereichsgewichtung. Es können unterschiedliche Modulationsverfahren angewendet werden. PN-Sequenzen können verwendet werden, um Hardware-in-the-Loop-Experimente zu machen, z. B. für das Testen von Komponenten (z. B. Filter, Leistungsverstärker) und die Überprüfung der 5G-Millimeterwellen-Referenzdesigns.

Testlösung für die 5G-Signalformanalyse

Leistungsspektrum und Konstellationsdiagramm eines demodulierten UFMC-Signals mit der Option R&S®FS-K196.

Die R&S®FS-K196 5G-Luftschnittstellen-Kandidaten-Option ist eine OFDM-Analysesoftware, die die erforderliche Funktionalität für die Analyse von z. B. auf GFDM oder UFMC basierenden Signalformen bietet. Die Software unterstützt Vektorfehlermessungen (EVM) für die einzelnen Hilfsträger und Symbole, Konstellationsdiagramme, Gruppenverzögerungsmessungen und vieles andere mehr. Die Option R&S®FS-K196 ist das richtige Werkzeug für die Messung der Signalqualität der neu definierten 5G-Signalformen, um ihre Leistungsstärke zu untersuchen.

Produkte für mögliche Signalformen für 5G

  • R&S®SMW200A Vector Signal Generator
    • Vollständige Parametrisierung der 5G-Signalform-Kandidaten GFDM, UFMC, FBMC, f-OFDM
    • 2 GHz Signalbandbreite mit externem Breitband-Arbiträrfunktionsgenerator unter Verwendung des integrierten 2 GHz I/Q-Modulators
    • 160 MHz unmittelbare Bandbreite, bis zu 528 MHz unter Verwendung des R&S®AFQ100B I/Q-Generators über analoge I/Q-Eingänge
  • R&S®FSW Signal- und Spektrumanalysator
    • Eigenständiges Instrument mit Frequenzunterstützung von 2 Hz bis 85 GHz (R&S®FSW85)
    • 500 MHz integrierte Signalanalysebandbreite
    • 2 GHz Signalanalysemöglichkeiten in Kombination mit dem R&S®RTO1044 Oszilloskop
  • R&S®FS-K196
    • Analysemöglichkeiten für GFDM, UFMC und f-OFDM

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