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Die fünf wichtigsten Antworten zu RF und 5G New Radio

Die fünf wichtigsten Antworten zu RF und 5G New Radio

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In diesem Blog werden die fünf wichtigsten Fragen zur Beziehung zwischen Hochfrequenz (RF) und der neuen Funkzugangstechnologie 5G New Radio (NR) von 3GPP beantwortet. 5G verschiebt die Grenzen der drahtlosen Kommunikation, indem es Anwendungsfälle ermöglicht, die auf ultraschnelle Geschwindigkeiten, außergewöhnlich niedrige Latenzzeiten und eine unglaublich hohe Zuverlässigkeit angewiesen sind. 5G NR soll der Standard für 5G-Netze weltweit werden.

Welche HF-Frequenzbänder werden im Vergleich zu 4G von 5G verwendet?

Die 5G-Technologien gehen über die reine Bereitstellung mobiler Breitbanddienste hinaus und bieten wichtige Fortschritte, die ein viel breiteres Spektrum an Anwendungen ermöglichen. Wie in Abbildung 1 dargestellt, werden auch 5G-Frequenzbänder zur Unterstützung von Anwendungen bereitgestellt. 5G NR umfasst mehrere Niedrig- und Mittelfrequenzbänder im Bereich unter 7 GHz, definiert als FR1, sowie höhere Frequenzbänder über 24 GHz, definiert als FR2/mmWave. 5G-Frequenzen umfassen alle bisherigen Mobilfunkfrequenzen und zusätzliche Frequenzen im Bereich unter 7 GHz und darüber hinaus. Ein wichtiger Grund für die Bereitstellung zusätzlicher Frequenzen ist die Überfüllung der Bänder unter 7 GHz und die Überwindung der physikalischen Beschränkungen in Bezug auf Durchsatz und Bandbreite. In den 4G-Bändern war beispielsweise eine Bandbreite von bis zu 20 MHz vorgesehen, während in den 5G-Bändern nun eine Bandbreite von bis zu 400 MHz pro Kanal möglich ist.

Welche Aufgaben sind mit mmWave verbunden?

Der Begriff Millimeterwelle (mmWave) bezieht sich auf einen bestimmten Teil des Funkfrequenzspektrums mit wirklich kurzen Wellenlängen von 24,25 GHz bis 52,6 GHz, wie von 5G 3GPP spezifiziert. Ein Vorteil ist, dass die Nutzung von mmWave die verfügbare 5G-Bandbreite stark erhöhen wird, da dieses Spektrum bisher weitgehend ungenutzt war. Außerdem können mit mmWave Daten noch schneller übertragen werden, auch wenn die Übertragungsstrecke kürzer ist. Außerdem sind die mmWave-Bänder weniger überfüllt. Im Gegensatz dazu sind die niedrigeren Frequenzen stärker mit Fernseh- und Radiosignalen sowie mit den Signalen des aktuellen 4G-LTE-Netzes überlastet, die typischerweise zwischen 700 MHz und 3.000 MHz liegen.

Das mmWave-Spektrum erfordert jedoch eine strikte Sichtverbindung zwischen Nutzergeräten (UE) und Funkantennen. Jedes Hindernis oder passive Hindernis wie Straßenschilder vor Mobilfunkstandorten, Bäume oder Gebäude sowie sich bewegende Objekte wie Autos können ein 5G FR2-Signal beeinträchtigen oder blockieren (siehe Abbildung 2).

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Wie wird die 5G-Signalverschlechterung durch Massive MIMO (mMIMO) und Beamforming verringert?

Die Technologie Multiple Input, Multiple Output (MIMO) wird in älteren 4G/LTE-Netzen eingesetzt, wobei die Funksender mit mehreren Antennenanschlüssen ausgestattet sind, über die mehrere Datenströme gleichzeitig an die Benutzergeräte übertragen werden können. MIMO wird eingesetzt, um die Durchsatzleistung für die mit einem Mobilfunkstandort verbundenen Nutzer zu verdoppeln (2x2 MIMO) oder zu vervierfachen (4x4 MIMO).

Massive MIMO (mMIMO) ist eine Erweiterung von MIMO und erhöht die Anzahl der Antennen auf eine 64-Sende-/64-Empfangs-Konfiguration (64T64R MIMO). Dies führt zu Mobilfunkstandorten mit höherem Durchsatz und verbesserter Effizienz.
Beamforming ist eine Untergruppe von mMIMO, und da diese neuen Technologien ins Spiel kommen, werden die beiden Begriffe oft verwechselt. Beamforming ist eine Signalverarbeitungstechnik, die die mit mMIMO verfügbaren Mehrfachantennen nutzt, um ein fokussiertes Signal (oder einen Strahl) zwischen einer Antenne und einem bestimmten Benutzergerät zu erzeugen (siehe Abbildung 3). Die Signale können durch Änderung von Betrag und Phase gesteuert werden, so dass die Antenne auf bestimmte Benutzer fokussiert werden kann.

Diese fortschrittliche HF-Technologie ist für 5G und insbesondere für mmWAVE-Bänder von entscheidender Bedeutung, da sie das Problem der Sichtverbindung löst, indem sie Signale um Objekte herumleitet und sogar Signale an Gebäudewänden abprallen lassen kann, um Benutzergeräte zu erreichen.

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Warum sind 5G-Mittelbänder für die Beschleunigung der 5G-Einführung so wichtig?

Die Einführung der 5G-Technologie kann eine Herausforderung sein, doch gilt das Mittelbandspektrum im Frequenzbereich von 1 GHz bis 7 GHz als ideal für 5G, da es die perfekte Balance zwischen Abdeckung und Durchsatz bietet. Die 5G-Community findet die 3,3-GHz- bis 3,8-GHz-Mittelbänder besonders attraktiv, da dies den meisten Ländern die Möglichkeit gibt, ein eigenes 5G-Band im Bereich unter 7 GHz zu haben.

Neue 5G-Funkgeräte ermöglichen Massive MIMO (mMIMO) und Beamforming bei 3,5 GHz. Ursprünglich war Beamforming nur in den höheren mmWAVE-Bändern verfügbar. Jetzt ermöglichen die Hersteller von Funkgeräten Beamforming auch für die 5G-Mittelbänder, wodurch diese Bänder attraktiver werden. Diese neuen 5G-Mittelbänder erleichtern die Einführung und beschleunigen das Rennen um 5G. Weltweit finden Frequenzauktionen statt, um diese neuen Bänder zu erwerben, und künftige führende Mobilfunkbetreiber müssen diese begehrten 5G-Mittelbänder gewinnen.

Was ist TDD und warum ist es für 5G entscheidend?

Time Division Duplexing (TDD) ist eine Technik zur Emulation von Vollduplex-Kommunikation über eine Halbduplex-Kommunikationsverbindung, bei der die Abwärtsstrecke (DL) gesendet und die Aufwärtsstrecke (UL) auf derselben Frequenz empfangen wird, jedoch in synchronisierten Zeitintervallen, wie in Abbildung 4 dargestellt. UL und DL werden durch eine Schutzzeit getrennt, um eine Überlappung der Kommunikationskanäle zu vermeiden. Dank der fortschrittlichen Technologie erfolgt die Umschaltung innerhalb von Millisekunden und ist daher schnell genug für 5G-Szenarien mit geringer Latenz. Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass sie sich durch eine höhere spektrale Effizienz auszeichnet und bessere Latenzwerte liefern kann.

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Mit 5G entwickeln sich die Technologien schnell weiter. Die Ingenieure verschieben die Grenzen der Hochfrequenztechnik, indem sie eine einzige Frequenz verwenden und eine echte Vollduplex-Kommunikation anbieten, was bedeutet, dass sowohl der Uplink als auch der Downlink auf derselben Frequenz und zur selben Zeit arbeiten. Um 5G-Vollduplex auf derselben Frequenz zu erreichen, verwendet 5G NR ein Verfahren namens "Echounterdrückung", bei dem die Endkunden gleichzeitig Signale ohne Echo oder Selbststörung senden und empfangen. Bei Sprachanrufen wird das gesendete Signal direkt an jedem Empfänger ausgelöscht, so dass zwei Personen gleichzeitig sprechen können, ohne dass es zu Überschneidungen kommt.

by Danny Sleiman/EXFO

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