Wie Messlösungen von Rohde & Schwarz die Welt von morgen ermöglichen

Die vierte industrielle Revolution

Erstmals in der jungen Geschichte des Mobilfunks steht nicht allein das Smartphone (vorher Mobiltelefon) im Mittelpunkt der Entwicklung. Der neue Standard ist auch für das Internet der Dinge optimiert, für die Milliarden von vernetzten Endgeräten in unseren Häusern, auf unseren Straßen, in unseren Fabriken. Die größte Durchschlagskraft wird 5G wohl in der Industrie haben. Nicht nur, weil kabellos vernetzte Maschinen und ganze Fertigungslinien fast in Echtzeit miteinander kommunizieren. KIs korrigieren frühzeitig selbst kleinste Abweichungen und Unregelmäßigkeiten in der laufenden Produktion. Dazu nutzen sie Petabyte an Daten, gespeichert und ausgewertet in der Cloud.

Gesteigerte Effizienz verspricht auch der vermehrte Einsatz von Virtual Reality. Produkte und Prozesse lassen sich virtuell und damit kostengünstig abbilden, auch wenn sie noch gar nicht existieren. So können Ingenieure Prototypen schon vor der Fertigstellung auf Herz und Nieren prüfen. Mitarbeiter müssen keine backsteinschweren Handbücher mehr wälzen, um sich mit neuen Abläufen vertraut zu machen. Der Kunde am anderen Ende der Welt kann die Reparatur an seiner Anlage selbst durchführen – remote angeleitet.

Die smarte Produktion wird in der wettbewerbsintensiven Fertigungsindustrie zum echten Trumpf, denn auch Hochlohnländer werden wieder zu attraktiven Produktionsstandorten. Die Regulierung in Deutschland ermöglicht den Betrieb von lokal begrenzten, privat betriebenen 5G-Netzen („Campus-Netzen“). In anderen Ländern ist vorgesehen, dass solche lokalen Teilnetze von den großen Mobilfunkunternehmen als Serviceleistung für die Industrie aufgebaut und gemanagt werden. In jedem Fall ist die Qualität solcher Netze, die der Fabrikautomation dienen, messtechnisch zu überprüfen, um die geforderte Performance sicherzustellen.

E-Health sichert die medizinische Versorgung. Überall.

Ein flächendeckender Breitband-Rollout kann die Lebensverhältnisse – etwa von Stadt- und Landbevölkerung – einander angleichen. In dünn besiedelten Gebieten, in denen es an medizinischem Personal und an Einrichtungen mangelt, entfaltet die Telemedizin durch 5G ihr ganzes Potenzial: Über Videosprechstunden sind medizinische Spezialisten genau da verfügbar, wo sie gebraucht werden. In Zukunft werden sie sogar ortsunabhängig (robotergestützten) Operationen assistieren oder sie durchführen können. Voraussetzung: Die Übertragung der Daten ist schnell, verlässlich und ausfallsicher. Die Erstbeurteilung des CTs eines Schlaganfallpatienten verzeiht keine Verzögerungen. Ebenso wenig dürfen Sensoren zur Fernüberwachung von Vitalfunktionen plötzlich ausfallen. Sie können sich nur bewähren, wenn sie sich als möglichst zuverlässige und langlebige Datenlieferanten erweisen.

Solche Szenarien zeigen: Der neue Standard ist ein Ausnahmetalent mit bemerkenswerten Eigenschaften. Dazu zählt auch die deutlich höhere Datenrate. Die International Telecommunications Union (ITU) spricht im Projekt IMT2020 von bis zu 20 Gigabit pro Sekunde. Das sind rund 20 Mal mehr als beim Vorgänger LTE. Dieser Standard wird übrigens keinesfalls durch 5G ersetzt, er wird noch viele Jahre die Grundlast im Mobilfunk schultern.

Der wirklich marktverändernde Umbruch vollzieht sich an anderer Stelle: „5G erlaubt völlig neue und gleichzeitig sehr anspruchsvolle Anwendungsfälle, bei denen der Endnutzer häufig nicht mehr der Mensch ist, sondern eine Maschine“, sagt Jeremy Carpenter, Programm-Manager Mobile Network Testing bei Rohde & Schwarz. „In der bisherigen Mobilfunk-Evolution ging es vor allem um Netzabdeckung und höhere Datenraten. Jetzt stehen ultrazuverlässige und verzögerungsfreie Kommunikation sowie Erreichbarkeit im Mittelpunkt.“ (siehe Grafik)

Herausforderung Millimeterwelle

Um die angepeilten hohen Datenraten technisch möglich zu machen, werden deutlich größere Bandbreiten benötigt. Die aber sind im bisherigen Mobilfunkfrequenzbereich unter 6 GHz nicht mehr frei. Deshalb hat sich die Branche darauf verständigt, in einer ersten Phase die Frequenzbereiche bis circa 7 GHz und im Millimeterwellenbereich bis circa 52 GHz für 5G zu nutzen. Die kommerziell bedeutenden Frequenzbänder liegen bei 3,5 GHz, sowie bei 28 und 39 GHz. Die Bandbreite pro Frequenzträger beträgt in der Regel 100 MHz, im Millimeterwellenbereich sind sogar bis zu 400 MHz möglich.

Neuer Ansatz Beamforming

Im Millimeterwellenbereich ist die Reichweite der Funksignale deutlich kürzer und schwächer als bei LTE, sodass mehr Sendemasten und Basisstationen für die Netzabdeckung nötig sind. Auch deshalb setzen die Netzbetreiber bei 5G auf Beamforming, eine Methode, die die Systemeffizienz steigert. Bisher wurden die Signale fächerförmig abgestrahlt, bei 5G kann der Strahl (Beam) der Basisstation gebündelt werden. So können Signal und Störabstände optimiert und Mobilfunkgeräte gezielt angesprochen werden – bei einer geringeren Ausgangsleistung. Dafür sind jedoch pro Funkzelle wesentlich mehr Antennenelemente erforderlich. Die Anforderungen an Messtechniklösungen ändern sich durch Beamforming erheblich: Im Millimeterwellenbereich sind kabelbasierte Testlösungen nicht möglich, man muss sogenannte Over-The-Air-Testmethoden anwenden.

Rohde & Schwarz als Weichensteller: Komplettlösungen für eine revolutionäre Technologie

„Die zugrundeliegenden Technologien und technischen Lösungen sind komplex. Sie verlangen gründliche Tests von einzelnen Komponenten wie Antennen, von kompletten Basisstationen und Endgeräten, aber auch der Qualität der Dienste in einem Mobilfunknetz, um Interoperabilität und zuverlässige Funktion zu gewährleisten - schon lange bevor 5G den Weg vom Labor auf die Straße macht“, sagt Reiner Stuhlfauth, Technology Manager bei Rohde & Schwarz. Er und weitere Messtechnik-Experten von Rohde & Schwarz geben im umfangreichen Handbuch 5G New Radio (NR) Einblicke in die Grundlagen und Verfahren zu Architektur und Übertragung der 5G-NR-Technologie.

„Mit 5G wurde ein sehr flexibles System geschaffen, bei dem sich die Parameter je nach Anwendungsfall, also zum Beispiel für das Industrie-4.0-Szenario, als auch für die Datenübertragung zum Smartphone, optimieren lassen“, erklärt Meik Kottkamp vom Technology Management Wireless bei Rohde & Schwarz und ebenfalls Co-Autor des Standardwerks. „Die Flexibilität, die durch die hohen Frequenzen und Bandbreiten möglich ist, macht den Reiz von 5G aus. Zugleich ist sie das Anspruchsvolle, für die Entwickler hier bei uns und bei unseren Kunden.“

Herausforderung angenommen

Als erfahrener Messtechnik-Spezialist und Komplettanbieter für 5G NR-Messtechnik verfügt Rohde & Schwarz über die umfassendsten Lösungen für das gesamte Mobilfunk-Ökosystem – von der Erzeugung und Analyse des Signals über Kommunikationstests bis hin zur Verifikation der Servicequalität in einem Mobilfunknetz. Schon seit den frühen Tagen von 2G, der ersten Generation des digitalen Mobilfunks, hat sich Rohde & Schwarz der Pionierleistung vor der Pionierleistung verschrieben und ist so zum etablierten Weichensteller für die Innovationen von Infrastruktur-, Endgeräte- und Chipsatzherstellern geworden.