NEUES 214/16 Messgeräte für überall - Rohde & Schwarz
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NEUES 214/16 Messgeräte für überall Manche Messungen erfordern den Einsatz netzstromunabhängiger Mobilgeräte. Zwei neue Modelle zeigen, was die Handheld- Klasse heute schon kann. Wireless-Technologien Allgemeine Messtechnik Funküberwachung / -ortung Der Mobilfunk als Wegbereiter Phasenrauschmessungen an Software überwacht komplexe für das Internet der Dinge High-End-Radarsignalquellen Funkerfassungssysteme
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Mühldorfstraße 15 · 81671 München ISSN 0548-3093
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Titelthema Wenn das Messobjekt nicht zum Messgerät kommen kann, dann eben umgekehrt. Installationsarbeiten sind so ein Fall. Oder der Service an Industrieanlagen und stationärer Kommunikationstechnik. Dann müssen Mobilgeräte her, und zwar solche, die der Aufgabe voll und ganz gewachsen sind und verlässliche Resultate liefern. Die buchstäb- lich nicht ins Gewicht fallen, gut in der Hand liegen, keine Bedienrätsel aufgeben und in wenigen Schritten zum Messergebnis führen. Und vielleicht die eine oder andere Raffinesse aufweisen, die dem Bediener ein Lächeln ins Gesicht malt. Geräte mit diesem Anspruch sind dünn gesät. Und so manches, was der Markt anbietet, entspricht nicht gerade dem Stand der Technik. Zugegeben: Die Entwicklung hoch- wertiger Messtechnik kostet Geld, zumal auch dann, wenn Messfunk- tionen, die sich sonst auf ein geräumiges Desktop-Kabinett verteilen, auf einmal ins Handheld-Format geschrumpft werden sollen. Dann ist Hochintegration angesagt – eine Disziplin, die Rohde & Schwarz seit Langem beherrscht. Und jetzt in zwei neuen Modellreihen wieder beispielhaft demonstriert. Beide sind zugleich die ersten Vertreter eines neuen Formfaktors, der einen flexiblen Gestaltungsrahmen für Handheld-Geräte aller Art abgibt. Der eine Neuling, das Oszilloskop R&S®Scope Rider, hat Laborqualität und bringt eine für die Klasse beispiellose Ausstattung mit, darunter einen Logikanalysator und die Messkategorie CAT IV, die ihn für uneingeschränkte Niederspannungs- messungen qualifiziert. Sein Geschwister, der Spektrumanalysator R&S®Spectrum Rider, überzeugt ebenfalls drinnen wie draußen, dort nicht zuletzt durch lange Akkulaufzeiten und Bedienhilfen wie einen Mess-Wizard. Abgesehen von ihren technischen Vorzügen belegen die Modelle den hohen Stellenwert, den Rohde & Schwarz der Bedien ergonomie und dem Design beimisst. Die Arbeit soll nicht nur zügig von der Hand gehen, sondern darf auch Spaß machen. So gesehen stellen wir in dieser Ausgabe zwei Spaßgeräte vor. Was sie im Detail auszeichnet, lesen Sie ab den Seiten 22 und 32.
Überblick
NEUES
214/16
Wireless-Technologien Allgemeine Messtechnik
Hintergrund Oszilloskope Signalerzeugung und -analyse
Big Data und das Internet der Dinge – R&S®Scope Rider R&S®Spectrum Rider
Wie sich die Mobilfunkindustrie der Eine neue Größe im Gut ausgerüstet für Feld und Labor... 32
Herausforderung stellt.......................... 8 Handheld-Segment............................ 22
Phasenrausch- und VCO-Messplatz
Signalerzeugung und -analyse Oszilloskop R&S®RTM2000 R&S®FSWP
Vektorsignalgenerator Kabellose Ladesysteme im Zeit- Messung des Phasenrauschens von
R&S®SMW200A; Signal- und und Frequenzbereich analysieren....... 28 High-End-Signalquellen für Radare.....37
Spektrumanalysator R&S®FSW
Channel Sounding – auf der Suche
nach Frequenzen für den Mobilfunk
der Zukunft......................................... 14
Tester
Wideband Radio Communication
Tester R&S®CMW500
IP-basierte Mobilfunk-
Sprachdienste testen.......................... 18
Big Data und das Internet der Dinge – Heraus- Labor-Klasse im Handheld-Format: Ein neues Oszilloskop (Bild) und ein neuer Spektrumanalysator
forderung für die Mobilfunkindustrie (Seite 8). begeistern durch ihre Leistungsfähigkeit und ihre Robustheit im Feld (ab den Seiten 22 bzw. 32).
4
Im Blickpunkt Sichere Kommunikation Dienstleistungen
RPG Radiometer Physics GmbH Referenz Customer Support
Eine der ersten Adressen für Sichere Standortverbindung für „Hallo, ich hab‘ da eine Frage …“
Millimeter- und Submillimeter- das Gedächtnis der Nation................. 52 – 20 Jahre Customer Support............ 59
wellentechnik in Europa...................... 42
Rundfunk- und Medientechnik Funküberwachung / -ortung Weitere Rubriken
Messtechnik Systeme Impressum...........................................2
Videotester-Familie R&S®VTx Systemstatus-Überwachungs
Farbexplosion auf dem software R&S®RA-CHM NEUES kompakt................................ 6
Bildschirm – HDMI 2.0a überträgt Komplexe Funkerfassungssysteme
HDR-Video.......................................... 48 automatisch im Blick behalten........... 55 Kurznachrichten............................... 60
Die Rohde & Schwarz-Tochter RPG Radiometer Die Deutsche Nationalbibliothek vertraut die Eine neue Software überwacht komplexe Funk
Physics GmbH dringt mit ihren Messinstrumen- Sicherheit ihrer Nutzerdaten den Kryptolösun- erfassungssysteme, unbemannte Kleinsysteme
ten bis weit in den Raum vor (Seite 42). gen von Rohde & Schwarz SIT an (Seite 52). sowie abgesetzte Sensoren (Seite 55).
© ESA /AOES
NEUES 214/16 5
NEUES kompakt
Paradigmenwechsel beim Handy-Produktionstest
So kannte man Mobilfunk-Tester bis- schein hat, denn durch seine Funktions-
her nicht: keine 19-Zoll-Box, keine be- und Softwarekompatibilität zum Vorgän-
weglichen Teile, kein Lärm, keine staub- ger (Test ohne Signalisierung) ist ein Um-
ziehenden Öffnungen, kein schnell ver- stieg problemlos möglich. Zwei Über-
altendes Rechnerboard, stattdessen HF- legungen stehen hinter dem neuen An-
Messtechnik pur in einem eleganten satz. Zum einen: Lange HF-Kabel sind
Flachgehäuse mit zahlreichen Anschlüs- potenzielle Fehlerquellen. Statt der üb-
sen. Doch was zunächst ein paar Fra- lichen drei bis fünf Meter bei Rack-Ein-
gen aufwerfen mag (Warum? Wie geht bau genügen beim R&S®CMW100, der
das? Steckt da weniger drin?), ist nur unmittelbar an der Messobjektaufnahme
die konsequente Übersetzung der An- platziert wird, Zentimeter. Zum andern:
forderungen beim Produktionstest in ein Rechnertechnik veraltet schneller als
technisch adäquates Konzept. Der Neue Messtechnik, ist aber entscheidend für
heißt R&S®CMW100 und soll mittelfris- die Performance. Deshalb läuft die Mess-
tig den Marktführer in der Produktion software in Zukunft auf einem normalen
ablösen, den vieltausendfach verkauf- Produktions-PC. Bis zu acht Messobjekte
ten R&S®CMW 500. Und ist deshalb we- können parallel getestet werden, und
niger radikal, als es zunächst den An- das deutlich schneller als zuvor.
Mobilfunknetz-Benchmarking perfektioniert
Zur Ermittlung der Qualität von Mobil- Containment Modules“ handelt es sich
funknetzen setzt man Messfahrzeuge mit um kompakte Klimakammern für je ein
einer Vielzahl von Test-Smartphones ein. Gerät, die Dank einer smarten Regelung
Bisher waren diese Handys im Fahrzeug- thermisch einheitliche und stabile Mess-
innern untergebracht und ihre Anten- bedingungen garantieren und die Ver-
nenkontakte über HF-Kabel mit Dach- wendung hardwareseitig unmodifizier-
antennen verbunden. Aktuelle Smart- ter Smartphones ermöglichen. Die TCMs
phones enthalten allerdings bis zu fünf sind HF-technisch vollständig transpa-
Mobilfunk-Antennen, um den Anforde- rent und erlauben durch das Anbringen
rungen an Multistandard-Geräte gerecht konfigurierbarer, dämpfender Zubehör-
zu werden und moderne Technologien teile eine realitätsnahe Nachbildung ver-
wie MIMO zu unterstützen. Eine Nach- schiedener Endbenutzerszenarien (z. B.
bildung dieser Verhältnisse über Dach- halten am Kopf oder in der Hand). Die kli-
antennen ist nicht länger praktikabel, zu- matische Unabhängigkeit der TCMs er-
mal wenn mehr als ein Dutzend Geräte laubt deren Betrieb quasi im Freien, zum
gleichzeitig auf Testfahrt geht. Darum hat Beispiel in einer dafür maßgeschneider-
die Rohde & Schwarz-Tochter SwissQual ten Autodachbox, die bis zu 16 Kammern
das zum Patent angemeldete Produkt aufnimmt. Die Datenverarbeitung über-
TCM entwickelt. Bei diesen „Test Device nimmt der Benchmarker II von SwissQual.
GNSS-Chipset-Tester für Produktion und Charakterisierung
Kaum noch ein Mobilgerät, das nicht per ter eine reduzierte Ausstattung und die
Satellitennavigation seine Position be- Beschränkung auf je einen Satelliten der
stimmen kann. Entsprechend groß ist das Standards GPS, Galileo, GLONASS und
Produktionsvolumen an GNSS-Chips und BeiDou, um allen Produktionsbelangen
-Modulen (Global Navigation Satellite Sys- gerecht zu werden. Damit aber außer-
tem), das allmonatlich die Fabriken ver- dem auch fertigungsnahe Labormuster
lässt. Um Fehlfunktionen auszuschließen, über einen einfachen Funktionstest hin
die im Reklamationsfall teuer kämen, ausgehend charakterisiert werden kön-
wird jedes Stück getestet, was natürlich nen, sind die generierten Signale in allen
so effizient und kostengünstig wie mög- Aspekten authentisch und vollständig. Sie
lich erfolgen soll. Dafür empfiehlt sich der werden in Echtzeit berechnet, beinhal-
neue GNSS-Tester R&S®SMBV-P101. Ab- ten eine durchlaufende Zeit und unter-
geleitet vom bewährten Signalgenerator stützen Dopplerprofile, wie sie bei Bewe-
R&S®SMBV100A, der in GNSS-Vollaus- gung des Empfängers vorkommen. Für
stattung komplexe Hybrid-Szenarien mit die Kalibrierung des Testsetups stellt der
bis zu 24 Satelliten in allen Details simu- R&S®SMBV-P101 ein stabiles CW-Hoch-
lieren kann, genügt dem Produktionstes- pegelsignal bereit.
6
Umfassende Signalanalyse mit dem PC
Ein Rohde & Schwarz-Signalanalysator lysierenden Daten werden wie erwähnt
kann, mit entsprechenden Software- entweder als Datei geladen (I/Q oder
Funktionen ausgestattet, eine Vielzahl an MATLAB®) oder aber direkt von einem
Signaltypen nach allen Regeln der Kunst über LAN angeschlossenen Analysator in
analysieren, etwa gepulste Signale, Mo- Echtzeit zugespielt. Der R&S®VSE arbei-
bilfunksignale oder beliebig vektormodu- tet dann als abgesetzte Analyse- und
lierte Signale. Allerdings war der Anwen- Fernsteuerstation für den ans Netz ange-
der bisher an das Messgerät gebunden, schlossenen Messgerätepark, was neben
wenn es um die Auswertung der Mess- dem Bedienkomfort über einen großen
daten ging, obwohl man oft gar nicht Bildschirm noch andere Vorteile hat. So
mit Live-Daten arbeitet, sondern mit ge- lassen sich als Frontend auch preis-
speicherten Datensätzen. Hierbei ist das werte Geräte wie der R&S®FSL nutzen,
Messgerät eigentlich entbehrlich, denn auf denen die High-End-Analysetools
die Analysefunktionen sind reine Soft- des R&S®VSE gar nicht lauffähig wären.
ware. Der neue Vector Signal Explorer R&S®VSE unterstützt aktuell die Analysa-
R&S®VSE trägt dem Rechnung, indem er tor-Familien R&S®FSL / FPS / FSV / FSW
die Analyse messgeräteunabhängig auf sowie auch die Oszilloskope R&S®RTO.
jedem PC möglich macht. Die zu ana-
Ein HF-Funkpeiler, dem nichts entgeht
Für den Hochgeschwindigkeits-HF-Peiler ten HF-Bereich mit allen Aussendungen,
R&S®DDF1GTX hat Rohde & Schwarz die zum Erfassungszeitpunkt on air wa-
sein ganzes über Jahrzehnte gewachse- ren, und deren Richtungsinformationen
nes Peiler-Know-how mobilisiert. Das Er- auszuwerten. Dies übernimmt eine Bat-
gebnis ist ein äußerlich schlichtes, an terie von FPGAs der höchsten Leistungs-
technischer Güte aber kaum zu übertref- klasse, deren Performance die größt-
fendes Gerät. Entwickelt für den Bedarf mögliche Erfassungswahrscheinlich-
von Regulierungs- und Sicherheitsbehör- keit sicherstellt. Ein gegenüber markt-
den, ist der R&S®DDF1GTX in der Lage, üblichen Peilern um 10 dB n iedrigerer
praktisch jedes Signal zu peilen, das sich Rauschgrund sorgt dafür, dass auch
im HF-Spektrum sehen lässt, sei es auch schwache Signale sicher detektiert wer-
noch so kurz und schwach. Um das zu den. Weitere Highlights: Super-Resolu-
erreichen, verfügt der R&S®DDF1GTX tion-Modus zur Peilung unterschiedli-
über zehn Empfangskanäle zur paralle- cher Signale auf der gleichen Frequenz,
len Abtastung der Antennenelemente. In Beam Forming zur Unterdrückung von
Verbindung mit der Echtzeitbandbreite Gleichkanalstörern, innovative Anten-
von 30 MHz genügt ein einziger spektra- nen mit großer Apertur und Aktiv/Pas-
ler „Schnappschuss“, um den komplet- siv-Schaltung.
Sprachterminal für die sichere Kommunikation auf Marineschiffen
Mit R&S®NAVICS hat Rohde & Schwarz lich über das Internet-Protokoll (IP), so-
ein hochmodernes Kommunikations- dass marktgängige Netzwerktechnik ein-
system für Schiffe entwickelt. In seiner gesetzt werden kann. Auf Kundenwunsch
jüngsten Evolutionsstufe wird es bei- wird das Netz allerdings akkreditierbar si-
spielsweise auf den Fregatten des Typs cher gemacht, d. h. kryptografisch ge-
26 GCS der britischen Royal Navy im- härtet. Eine wichtige Komponente da-
plementiert, deren Baubeginn für 2016 bei ist das VoIP-Sprachterminal mit inte-
vorgesehen ist. R&S®NAVICS umfasst griertem Kryptomodul R&S®GB5900SM
die gesamte interne und externe Kom- (Bild). Es kann leicht überall an Bord ver-
munikation. Dazu gehört die HF/VHF/ baut werden, von wo aus Sprachkom-
UHF/SHF-Funkanlage mit Message- munikation innerhalb des Schiffs oder
Handling-System wie auch das schiffs- zu externen Dienststellen möglich sein
weite diensteübergreifende Ethernet mit soll. An den Netzübergängen postierte
VoIP-Sprechstellen, Switches und Gate- Sicherheitsfilter gewährleisten, dass nur
ways, z. B. ins WLAN mit angeschlosse- zugelassene Gegenstellen erreicht wer-
nen ATEX-Endgeräten. Anders als her- den. Das Terminal ist aber auch ohne
kömmliche Systeme kommunizieren die Kryptomodul lieferbar und so auch für die
R&S®NAVICS-Komponenten ausschließ- zivile Schifffahrt interessant.
NEUES 214/16 7
Wireless-Technologien | Hintergrund
Big Data und das
Internet der Dinge –
Wie sich die
Mobilfunkindustrie der
Herausforderung stellt
8
Zukunftsprojekte wie das Internet of Things oder selbstfahrende Autos setzen extrem leistungsfähige Mobil-
funknetze voraus. 5G, die nächste Mobilfunkgeneration, soll die nötigen Fähigkeiten bereitstellen. Aber
schon die heutigen Netze leisten dank kontinuierlicher Technologie-Upgrades Beachtliches. Ein Überblick.
Nimmt man das Einfrieren der Spezifi- wird deutlich, dass sowohl die Einfüh- ❙❙ Höherwertige Modulationsverfahren,
kationen für den 900-MHz-GSM-Stan- rung neuer Übertragungstechnolo- konkret QPSK, 16QAM, 64QAM und
dard im Jahr 1990 als Stunde Null, dann gien auf der Luftschnittstelle zwischen 256QAM.
hat der digitale Mobilfunk gerade eine Basisstation und Endgerät als auch
silberne Jubiläumsmarke passiert. Doch eine optimierte Architektur des Mobil- Eine schlanke Netzarchitektur und die
keine Spur von Ermattung, ganz im funknetzes signifikante Verbesserun- ausschließlich paketvermittelte Daten-
Gegenteil. Denn der Datenhunger im gen gebracht haben. Die theoretisch übertragung erlauben außerdem kurze
zellularen Mobilfunk ist ungebrochen erreichbare Datenrate pro Endgerät hat Reaktionszeiten des Netzes. Dies führt
und verlangt nach weiteren technischen sich von wenigen 100 kbit/s (EDGE) dazu, dass beispielsweise Internetseiten
Fortschritten zu seiner Bewältigung. Die über 42 Mbit/s (HSPA+) bis zu mehre- auf einem LTE-Smartphone deutlich
Rede ist von einer Verzehnfachung des ren hundert Mbit/s (LTE / LTE-A) entwi- schneller aufgebaut werden können als
mobilen Datenverkehrs in den kommen- ckelt. Moderne, kommerziell verfügbare bei Verwendung älterer Technologien.
den sechs Jahren. Darüber hinaus wird LTE-A-Endgeräte erreichen in einer idea-
ein exponentieller Anstieg der Anzahl len Laborumgebung bis zu 600 Mbit/s. Durch die Einführung von LTE / LTE-A
von „Dingen“ (Internet of Things = IoT) Im Netzbetrieb reduzieren jedoch Aus- konnten Netzbetreiber die steigenden
vorhergesagt, die über das Mobilfunk- breitungsbedingungen und das Shared- Anforderungen erfüllen. Der Erfolg die-
netz miteinander kommunizieren wer- Channel-Prinzip die erreichbare Down- ser Technologie lässt sich auch daran
den. Der Ericsson Mobility Report weist load-Geschwindigkeit, weil die verfüg ablesen, dass seit dem Einschalten des
allein fürs erste Quartal 2015 108 Mil- bare Bandbreite unter allen gleichzeitig ersten kommerziellen LTE-Netzes Ende
lionen neue Mobilfunkteilnehmer aus aktiven Nutzern aufgeteilt wird. Nichts- 2009 bis zum Herbst 2015 bereits 442
(davon 26 Millionen in Indien, 21 Millio- destotrotz hat insbesondere die LTE/ kommerzielle Netze in 147 Ländern
nen in Afrika und 8 Millionen in China). LTE-A-Technologie die verfügbaren weltweit implementiert wurden (Quelle:
Für 2020 werden weltweit 9,2 Milliarden Datenraten und auch die Netzkapazi- The Global mobile Suppliers Associa-
mobile Anschlüsse prognostiziert. 2014 tät erheblich gesteigert. Das wurde im tion (GSA), Stand Juli 2015). Einige der
betrug die Menge der konsumierten wesentlichen durch folgende Maßnah- wesentlichen Verbesserungen von LTE
Daten pro Smartphone-Teilnehmer und men erreicht: im Rahmen der technischen Fortschrei-
Monat im Durchschnitt 1 GByte. Bis ❙❙ Eine hohe Systembandbreite von bung durch das Standardisierungs-
2020 soll diese Zahl auf 4,9 GByte stei- 20 MHz, die einem einzelnen Teilneh- gremium 3GPP (ab 3GPP Release 10
gen. Die Kombination beider Faktoren mer zur Verfügung gestellt werden wird LTE auch als LTE-Advanced, kurz
wird für einen exponentiellen Anstieg kann, sowie die Bündelung von bis zu LTE-A, bezeichnet) werden im Folgen-
des Datenverkehrs weltweit sorgen. fünf dieser 20-MHz-Trägerfrequenzen den erläutert.
pro Teilnehmer, bekannt als „Carrier
Der folgende Beitrag beschreibt, wie Aggregation“ (CA). CA ist die kommer- LTE verfügt über einen spezifischen
bereits heute die Übertragung immen- ziell bedeutendste Verbesserung inner- „enhanced Multimedia Broadcast Multi
ser Datenmengen realisiert wird und halb von LTE-Advanced. cast Service“ (eMBMS, siehe auch
wie die Betreiber der Mobilfunknetze ❙❙ Ausnutzung des sogenannten S patial NEUES 213 ab Seite 10). Dieser erlaubt
sicherstellen, dass sie den Endkunden Multiplexings (MIMO-Technologie), es, mehreren Teilnehmern in einer Zelle
auch morgen eine zufriedenstellende also die Verwendung von zwei bis zu die gleichen Ressourcen (Frequenz und
Qualität (Quality of Experience) bieten acht /vier Sende-/Empfangsantennen. Zeit) zuzuordnen. Es handelt sich um
können. ❙❙ Schnelles OFDMA-Multiplexing, d. h. eine sehr effiziente Methode, um z. B.
die Zuteilung der Ressourcen Fre- mobile TV-Anwendungen zu adressie-
quenz und Zeit kann jede Millisekunde ren, bei der viele Teilnehmer zur glei-
2G-, 3G-, 4G-Technologie und geändert werden. Die kleinste Res- chen Zeit die gleichen Daten empfan-
zukünftige Verbesserungen source, die einem Endgerät zugeord- gen. Dieser Modus erlaubt es auch,
Betrachtet man die verschiedenen net werden kann, ist ein sogenannter Endgeräten eine neue Software effizient
Mobilfunktechnologien 2G (GSM, GPRS, Ressource Block (RB), der in der Fre- aufzuspielen, was bislang noch in aller
EDGE), 3G (UMTS, HSPA, HSPA+) quenz 180 kHz und in der Zeit 0,5 ms Regel über einzelne Datenverbindungen
und 4G (LTE / LTE-Advanced (LTE-A)), umfasst. pro Gerät erfolgt.
NEUES 214/16 9
Wireless-Technologien | Hintergrund Da WLAN in fast allen Endgeräten Flexibilität und eine weitere Möglich- an verbundene Endgeräte sendet. Die implementiert ist, besteht im priva- keit, ihren Endkunden höhere Datenra- dadurch entstehenden Interferenzen ten Umfeld, aber auch an vielen öffent- ten und mehr Kapazität zur Verfügung beeinträchtigen die erreichbare Daten- lichen Orten die Möglichkeit, WLAN- zu stellen. Zu dem gleichen Zweck ver- rate und die Systemkapazität. Dieser Verbindungen zu nutzen. Einige Mobil- folgt man den Ansatz, LTE / LTE-A auch Effekt spielt im Besonderen in soge- funkbetreiber setzen Hotspots vor allen in unlizenzierten Frequenzbändern zu nannten heterogenen Netzwerkumge- an exponierten Orten wie Flughäfen betreiben (Licensed-Assisted-Access bungen eine Rolle. Hierbei handelt es ein und stellen damit einen alternati- im kommenden 3GPP-Release 13). Statt sich um Netzwerktopologien, bei denen ven Internetzugang zur Verfügung. Ein- eines Technologie-Switch zu WLAN mehrere kleine (Femto- oder Pico-) Zel- faches Ein- und Ausschalten der WLAN- aggregiert man etwa das unlizenzierte len innerhalb einer großen (Makro-) Funktion am Endgerät steuert den 2,4-GHz-Band (ISM-Band), in dem auch Zelle betrieben werden. Beispielsweise Zugriff. Gegebenenfalls erlaubt eine WLAN aktiv ist, zum lizenzierten LTE- in Fußgängerzonen, die an frequentier- Applikation auf dem Endgerät, automa- Band hinzu und wickelt unkritischen ten Plätzen durch kleine Hotspots mit tisch umzuschalten, sobald ein Hotspot Datenverkehr darüber ab. In gewisser hoher Kapazität versorgt werden und mit ausreichender Leistung empfan- Weise konkurrieren damit WLAN und gleichzeitig im Empfangsbereich einer gen wird. Dabei wird allerdings immer LTE im unlizenzierten Spektrum mitein- übergeordneten Zelle liegen, die Teile der komplette Datenverkehr entweder ander. Zur Vermeidung von Konflikten des Stadtbereichs abdecken. Um die- über Mobilfunk oder über WLAN gerou- soll LTE deshalb um eine Listen-Before- sem Effekt entgegenzuwirken, wurde tet. Es gibt jedoch auch einen zwar spe- Talk (LBT)-Funktionalität erweitert wer- das sogenannte Coordinated-Multipoint- zifizierten, aber noch kaum durch die den, die sicherstellt, dass ein Bandzu- Transmission-and-Reception-Feature Netzbetreiber implementierten Modus, griff nur erfolgt, wenn Kapazität frei ist. (CoMP) eingeführt. Es erlaubt das koor- der die parallele Nutzung der Techno- dinierte Senden eines Signals zu einem logien erlaubt. Damit ist es beispiels- In einem LTE-Netz wird in allen Zellen Endgerät an der Zellengrenze. Die Koor- weise möglich, eine E-Mail-Anwendung, dieselbe Frequenz verwendet. Damit dinierung kann unterschiedlich realisiert die im Hintergrund läuft, über WLAN zu entstehen an Zellgrenzen prinzipiell Stö- werden. Im einfachsten Fall wird ledig- bedienen, und gleichzeitig eine Video- rungen. Ein Endgerät mit einer aktiven lich entschieden, welche der potenziell Übertragung über die LTE-Technologie Verbindung zu einer Basisstation emp- möglichen Basisstationen zur Über- zu realisieren. Die Netzbetreiber erhal- fängt die Signale der Basisstation einer tragung genutzt wird. Darüber hin- ten dadurch eine wesentlich höhere Nachbarzelle, die ihrerseits Signale aus können auch Ressourcen (RBs) Was steuert die Messtechnik bei? Die Messtechnik spielt sowohl bei der Einführung neuer Technologien als auch beim Betrieb der Netze eine zentrale Rolle. Unzählige Testlösungen sind erforderlich sowohl bei der Entwicklung und Herstellung der Endgeräte und ihrer Komponenten wie auch der Basisstationen und Vermitt- lungsknoten. Des Weiteren braucht man Testlösungen bei der Inbetriebnahme des Netzes und der Überprüfung seiner Leistungsfähigkeit. Zunächst gilt es für Netzbetreiber, die richtigen Infrastruktur- produkte zum Betrieb des Netzes zu selektieren. Unter ande- rem kommen hier Signalgeneratoren und Spektrum- / Sig- nalanalysatoren zum Einsatz. Im Endgerätebereich definiert das Global Certification Forum (GCF) diverse Tests als Vor- aussetzung für eine Zertifizierung. Viele Betreiber spezifizie- ren zusätzliche Tests, die besondere Anforderungen ihres Net- zes widerspiegeln. Ein Testgerät wie beispielsweise der Wide- BILD 1: Systeme für HF- und Protokolltests unterstützen Netzbetreiber band Radio Communication Tester R&S®CMW500 emuliert dabei, geeignete Anbieter von Endgeräten auszuwählen. Die Testlösungen hierzu alle notwendigen Funktionen des Netzes und überprüft stellen deren Konformität mit den Mobilfunkstandards sicher. 10
für die Endgeräte abgestimmt oder mögliche Handover-Fehler beim Zell- austauschen. Diese grundlegend neue
sogar Antennendiagramme der invol- wechsel minimiert werden. Auch auf Funktionalität ist maßgeblich durch
vierten Basisstationen so ausgerich- der Endgeräteseite kann der Interferenz den Public-Safety-Fall motiviert. Feuer-
tet werden, dass Störungen minimiert an Zellgrenzen begegnet werden, indem wehr- und P olizei-Anwendungen erfor-
werden. Schließlich erlaubt eine abge- verbesserte Empfänger diese spezifi dern den Austausch großer Daten-
stimmte Beeinflussung des Basisband- schen Störungen erkennen und mit mengen (Bilder, Videos) innerhalb klei-
signals (precoding) in Verbindung mit geeigneten Algorithmen aus dem Emp- ner Personengruppen, wobei sich ein-
der MIMO-Technologie eine optimale fangssignal herausrechnen. Dem End- zelne Gruppenteilnehmer auch außer-
Versorgung an der Zellgrenze. Eine wei- gerät können dazu ergänzende Informa- halb der Netzabdeckung befinden kön-
tere Verbesserung für heterogene Netze tionen über die potenziellen Störungen nen, z. B. im Keller eines brennenden
wurde mit der Spezifizierung von „Dual gesendet werden, um die Berechnung Hauses. Der Datenaustausch zwischen
Connectivity“ eingeführt. Das End- zu verbessern. Das Feature ist in der so verbundenen Endgeräten wird aller-
gerät ist dabei für die Verbindung mit LTE-Standardisierung unter dem Namen dings zunächst auf BOS-Anwendungen
zwei Basisstationen auf zwei unter- „further enhanced InterCell Interference (Behörden und Organisationen mit
schiedlichen Trägerfrequenzen konfigu- Coordination“ (feICIC) bekannt. Sicherheitsaufgaben) beschränkt, für
riert. Die Master-Basisstation („eNodeB“ die allgemeine Nutzung sind im ers-
in LTE) versorgt dabei die übergeord- Eine besondere Bedeutung muss der ten Schritt nur applikationsbezogene
nete Makro-Zelle und die Slave-eNodeB kommenden Einführung des soge- Broadcast-Dienste vorgesehen. Weitere
den Hotspot, also eine Pico- oder nannten Device-to-Device-Features kommerzielle Nutzungsmodelle sind
Femto-Zelle. In dieser Konfiguration ent- (D2D) beigemessen werden. Dieses aber vorstellbar und werden im Rah-
scheidet die Master-eNodeB unter Ein- beinhaltet zwei grundlegende Funk- men der 5G-Entwicklung diskutiert.
bezug von Parametern wie Zellauslas- tionen. Zum einen erlaubt die netz-
tung und Endgeräte-Geschwindigkeit, gestützte „Discovery“-Funktion, dass Trotz der immer leistungsfähigeren
ob die Datenverbindung über die Mak- sich zwei räumlich benachbarte End- LTE / LTE-A-Netze ist zu berücksichti-
ro-Zelle oder über den Hotspot bedient geräte detektieren können. Zum ande- gen, dass die flächendeckende Ver-
wird. Das Umschalten kann sehr schnell ren können diese oder auch weitere sorgung mit 4G Zeit erfordert, sodass
erfolgen und bedarf keiner zusätzlichen Geräte in der Nähe direkt – also ohne effiziente Handover in die verfügba-
Signalisierung, wodurch Signalisie- Vermittlung durch die das Gebiet ren 2G- und 3G-Technologien eine Not-
rungskapazität eingespart wird und versorgende Basisstation – Daten wendigkeit bleiben. Außerdem gibt es
sowohl, ob sich das Endgerät richtig verhält (funktionaler Test
der implementierten Protokolle) als auch ob dessen Hardware
korrekt implementiert ist, beispielsweise, ob es Vorgaben zur
maximalen Sendeleistung einhält. BILD 1 zeigt entsprechende
Conformance-Testsysteme wie das R&S®TS8980.
Bei der Inbetriebnahme einer Basisstation im Feld sind hand-
liche Testgeräte gefragt, mit denen sich schnell überprüfen
lässt, ob z. B. die regulatorischen Anforderungen erfüllt wer-
den (BILD 2). Nach der Inbetriebnahme müssen die Mobil-
funkbetreiber ihr Netz optimieren. Beispielsweise sind Para-
meter wie Handover-Schwellenwerte anzupassen oder
Lücken in der Abdeckung aufzuspüren, um bestmögliche
Datenraten zu realisieren. BILD 3 zeigt eine Drive-Test-Lösung
zur effektiven Planung von Mobilfunknetzen. Das QualiPoc
von SwissQual implementiert eine Messapplikation in einem
handelsüblichen Smartphone. So kann die Testlösung wie
eine normale App genutzt werden. Damit können Netzbetrei-
ber insbesondere die Leistungsfähigkeit aus Sicht des End- BILD 2: Kosteneffiziente mobile Messtechnik kommt bei der Installation
nutzers (end user experience) bewerten. Im Kernnetz des der Basisstationen zum Einsatz.
NEUES 214/16 11Wireless-Technologien | Hintergrund viele Anwendungsfälle, bei denen eine Zusammenfassend steht mit LTE/ nicht zu realisieren. Neben technischen kleine Datenrate ausreicht, der Fokus LTE-A eine Technologie zur Verfü- Argumenten erfordert aber vielleicht auf einer kosteneffizienten Lösung liegt gung, die bis auf Weiteres die steigen- auch einfach der fortgesetzte Takt der und zudem sehr lange Batterielaufzei- den Anforderungen des mobilen Daten- bisherigen Entwicklung den nächsten ten gefordert sind. In diesem soge- verkehrs, aber auch M2M- / IoT-Bedürf- technologischen Schritt im Jahr 2020 – nannten Machine-to-Machine-Umfeld nisse abdeckt. Gleichwohl wird bereits nach der Einführung von GSM im Jahre (M2M) werden daher vielfach Module die nächste Generation (5G) umfas- 1990, UMTS im Jahre 2000 und LTE im mit vergleichsweise einfacher GPRS- send diskutiert. Woher kommt also die Jahre 2010. Übrigens sei angemerkt, Technologie genutzt, deren Betriebs- Motivation, bereits im Jahr 2020 (regio- dass 2020 die Olympischen Spiele in laufzeit auf viele Jahre ausgelegt ist. nal sogar schon 2018) eine neue Mobil- Japan ausgetragen werden, das sich Allerdings wurden auch im Rahmen der funkgeneration einzuführen? Zum in der 5G-Entwicklung stark engagiert, LTE / LTE-A-Technologie bereits einige einen wird durch das „immer mehr“ wenn auch natürlich nicht nur deshalb. Verbesserungen eingeführt, um den an Teilnehmern und Datenraten auch M2M-Anwendungsfall zu bedienen. LTE / LTE-Advanced einschließlich aller Im Forschungsumfeld und in den Vor- Beispielsweise gibt es eine Kategorie 0 Verbesserungen nicht langfristig den entwicklungsabteilungen der bedeu- für LTE-Endgeräte, die den Implemen- Bedarf decken können. Darüber hinaus tenden Mobilfunkfirmen finden daher tierungsaufwand für diese Geräteklasse wurde industrieweit eine neue Klasse schon heute weitreichende Untersu- reduziert (nur begrenzte Datenraten von Anwendungsfällen definiert, die chungen zu 5G statt. Diese betreffen im anforderungen und keine MIMO-Unter- vor allem die Reaktionszeit im Mobil- Wesentlichen vier Technologieblöcke, stützung). Außerdem wurden Verfahren funknetz (latency) verbessern soll und die zur Erfüllung der künftigen Anfor- eingeführt, die das Mobilfunknetz vor sehr hohe Ansprüche an die Sicher- derungen diskutiert werden. Zunächst Überlastung schützen, wenn sehr viele heit und Verlässlichkeit der Verbindung wird untersucht, welche zusätzlichen M2M-Geräte gleichzeitig auf das Netz stellt. Der zellulare Mobilfunk kann dann Frequenzbänder mit deutlich größe- zugreifen wollen. Weitere Verbesserun- in der Autoindustrie (Stichwort autono- rer Bandbreite nutzbar gemacht werden gen sind in der Spezifikationsphase und mes Fahren) und der Industrie 4.0 zur können. Die Untersuchungen umfassen beinhalten eine reduzierte Bandbreite Anwendung kommen und damit neue das Spektrum bis 100 GHz mit Band- (200 kHz) und sogar die Verringerung Ertragsquellen erschließen. Insbeson- breiten bis zu 2 GHz. An dieser Stelle des Unterträgerabstandes von 15 kHz dere Latenz-Anforderungen im Bereich spielen insbesondere deutlich verän- auf 3,75 kHz. von 1 ms sind mit LTE/LTE-A technisch derte Kanalausbreitungsbedingungen Mobilfunkbetreibers, wo alle Datenströme verarbeitet wer- den, ist es heute zunehmend wichtig, den Datenverkehr bis auf Paketebene analysieren zu können. Dies erlaubt es, den Datenverkehr zu klassifizieren und so Datenpakete eines Ser- vices (oder gleichartiger Services) optimal durch das Netz zu routen. Die IP-Analysetechnologie der Rohde & Schwarz-Toch- ter ipoque gewährt diese Einblicke. Die gleiche Funktionalität ist auch beim Endgerätetest von besonderem Interesse. Implementiert auf einem R&S®CMW500, können Anwen- der analysieren, welche IP-Datenströme (einschließlich der benutzten Protokolle) ein Smartphone allein durch im Hinter- grund laufende Applikationen ständig aufrechterhält. Im Betrieb eines Mobilfunknetzes kann es letztlich auch immer zu unvorhersehbaren Störungen kommen. Diese gilt es schnellstmöglich zu identifizieren und zu eliminie- ren. Man nutzt dazu stationäre Monitoring-Tools im Mobil- funknetz ebenso wie mobile Interference-Hunting-Lösun- gen. So können etwa defekte Leuchtreklamen Interferenzen BILD 3: Um die Netzperformance im Sinne zufriedener Nutzer zu analysie- in einem Empfangsband einer Basisstation auslösen und den ren und zu optimieren, setzen Netzbetreiber Messtechnik ein. 12
eine Rolle, die zunächst messtech- Division Multiplexing (GFDM) genannt. Einbeziehung von WLAN in die Infra-
nisch erfasst werden müssen, bevor Nicht zuletzt wird eine effizientere Netz- struktur erlauben es Netzbetreibern,
geeignete Kanalmodelle zur Evaluie- topologie untersucht, die in Ansätzen auch mittelfristig die fortlaufend wach-
rung neuer Techniken entwickelt und schon heute zur Anwendung kommt. senden Big-Data-Anforderungen ihrer
bewertet werden können (wie man Die zugrunde liegende Idee ist, mobil- Endkunden zu erfüllen. Broadcast/Mul-
potenzielle Kanäle untersucht, zeigt funkspezifische Funktionen in Software ticast-Lösungen erweitern die Flexibi-
der anschließende Artikel). Des Weite- zu realisieren und auf allgemein verfüg- lität im System. Zudem spielen bereits
ren wird die Verwendung von sehr vie- baren Hardware-Plattformen zu imple- heute M2M-Anwendungen eine große
len (Größenordnung 100) Sende- und mentieren. Funktionen des Enhanced- Rolle. Es wird erwartet, dass bedingt
Empfangsantennenelementen disku- Packet-Core-Knotens (EPC) im Mobil- durch die steigende Anzahl der Dinge,
tiert. Im Frequenzspektrum unterhalb funkkernnetz oder Basisbandfunktionen die künftig miteinander kommunizieren
von 6 GHz lassen sich diese nutzen, um einer Basisstation könnten so kosten- werden (IoT) und aufgrund neuer Anfor-
die Datenrate durch fortgeschrittene effizienter implementiert werden und derungen aus vertikalen Industriezwei-
MIMO-Techniken zu erhöhen, und im im Fall von Hardwarefehlern auf alter- gen (Autoindustrie, Gesundheitswesen,
hohen Frequenzbereich (> 60 GHz) sind native Plattformen verschoben wer- Robotersteuerung, etc.), weitere sig-
sie notwendig, um ausreichende Anten- den. Letztlich nutzt man ähnliche Ver- nifikante Verbesserungen erforderlich
nengewinne zu realisieren, damit ent- fahren wie schon heute in Datencen- sind. Daher diskutiert die Mobilfunk-
sprechende Zellgrößen erreicht werden. tern. Die flexible Implementierung der branche im Forschungsumfeld bereits
In Verbindung mit deutlich höheren Fre- Funktionen im Mobilfunknetz wird unter 5G mit Blick auf das Jahr 2020 und
quenzen, aber auch zur Ermöglichung den Schlagworten Network Function danach. Rohde & Schwarz und seine
sehr kurzer Reaktionszeiten, werden Virtualization (NFV) und Software Defi- Töchter SwissQual und ipoque, die ein
darüber hinaus neue Luftschnittstellen ned Networking (SDN) vorangetrieben. umfassendes Portfolio für bestehende
techniken diskutiert. Diese umfassen Messaufgaben bieten, sind aktiv in die
teilweise zusätzliche Filterfunktionen 5G-Forschungsarbeit eingebunden.
basierend auf der in LTE angewand- Fazit Meik Kottkamp
ten OFDM-Technologie. Beispielsweise Die hohe Leistungsfähigkeit der
seien hier Univeral Filtered Multi Car- LTE / LTE-Advanced-Technologie, deren Weitere Informationen unter:
❙❙ www.rohde-schwarz.com/mobile-network-test
rier (UFMC), Filter Bank Multi Carrier nahtlose Kooperation mit bestehen- ❙❙ www.rohde-schwarz.com/technology/lte
(FBMC) oder Generalized Frequency den 2G/3G-Mobilfunknetzen und die ❙❙ www.rohde-schwarz.com/technology/5G
gesamten Datenverkehr einer Zelle beeinträchtigen. BILD 4
zeigt einen Anwender mit mobilem Messempfänger und
Richtantenne zum Lokalisieren von Interferenzquellen.
Bei der Evaluierung möglicher 5G-Komponenten kommen
bereits heute Signalgeneratoren und Signalanalysatoren zum
Einsatz, die wegen ihrer Flexibilität in Frequenzlage, Band-
breite und Übertragungstechnologie unverzichtbar sind. Sie
sind auch wesentliche Bestandteile von Messsystemen für
die Analyse der Ausbreitungsbedingungen in neuen, zu defi-
nierenden Frequenzbändern (siehe nachfolgenden Artikel).
Mehrtor-Netzwerkanalysatoren werden eine entscheidende
Rolle bei der Implementierung zukünftiger Antennentechno-
logie spielen. Nicht zuletzt muss der Einfluss einzelner Appli-
kationen auf Datenraten, Signalisierungslast und Stromver-
brauch überprüft werden, was besonders auch bei IoT-Modu-
len essenziell ist. Dies setzt voraus, dass man einzelne Appli-
kationen schon auf dem IP-Layer messtechnisch unterschei-
den kann. BILD 4: Mobile Messempfänger mit Richtantennen unterstützen bei der
Überwachung des operativen Netzes und identifizieren Störungen.
NEUES 214/16 13Wireless-Technologien | Signalerzeugung und -analyse
Channel Sounding – auf der Suche nach
Frequenzen für den Mobilfunk der Zukunft
5G, die nächste Generation des Mobilfunks, soll bis 2020 einsatzbereit sein. Um aber den geplanten signi-
fikanten Leistungssprung gegenüber den heutigen Netzen möglich zu machen, bedarf es umfangreicher
Voruntersuchungen. Das Finden und Charakterisieren geeigneter Übertragungskanäle spielt eine wichtige
Rolle dabei.
Was 5G genau sein wird und durch welche Methoden und Die Kanalimpulsantwort (Channel Impulse Response, CIR) lie-
Technologien man die ambitionierten Ziele schließlich errei- fert eine komplexe, d. h. Betrag und Phase eines Signals ein-
chen wird, weiß mit Sicherheit heute noch niemand. Aller- beziehende und damit vollständige Information über den Ein-
dings zeichnen sich zwei wesentliche Merkmale schon deut- fluss des betrachteten Kanals auf ein Funksignal und e ignet
lich ab: 5G wird ganz neue Frequenzbänder bis in den Milli- sich somit insbesondere zu seiner Charakterisierung. Den
meterwellenbereich (d. h. jenseits von 30 GHz) für den kom- Funkkanal beeinträchtigende Einflüsse sind Signal-Echos
merziellen Mobilfunk erschließen (BILD 1). Der zweite wesent- durch Reflexionen, Verzerrungen durch Beugungs- und Streu
liche Aspekt ist die signifikante Erweiterung der Nutzsignal- effekte, Abschattungen durch Gebäude und Bäume, aber
bandbreite. Diese neuen Kanäle müssen umfassend analy- auch wetterbedingte Auswirkungen wie Regen und Schnee.
siert werden, um sie möglichst optimal nutzen zu können. Die BILD 2 stellt exemplarisch das Betragsquadrat einer zeit
wichtigste Methode zum Charakterisieren von Mobilfunk varianten Kanalimpulsantwort h(t, τ) dar, das sog. Leistungs-
kanälen ist das Channel Sounding. verzögerungsprofil (Power Delay Profile, PDP).
Über die Verzögerungsachse τ ist eine mögliche Mehrwege-
Wie man hineinruft … ausbreitung des Funksignals erkennbar. Die lokalen Maxima
… so schallt es nicht unbedingt wieder heraus. Zumindest lassen auf starke, zeitverzögerte Echos und damit Reflekto-
dann nicht, wenn es um breitbandige Funksignale geht und ren im Funkkanal schließen. Entlang der Zeitachse t erkennt
zwischen Sender und Empfänger eine alles andere als per- man im Beispiel eine zeitliche Veränderung der Kanalimpuls
fekte Übertragungsstrecke liegt. Um unter diesen Umständen antwort. Eine mögliche Ursache für eine solche Zeitvarianz
dennoch Hochleistungsfunk betreiben zu können, muss man sind zum Beispiel ein sich bewegender Empfänger oder allge-
die Eigenschaften der Strecke genau kennen. Deren Charakte- mein sich ändernde Kanalbedingungen.
ristik liefert ein Channel Sounder. Channel Sounding bezeich-
net ganz allgemein den Vorgang zur Bestimmung der Impuls- An diesem Beispiel sind auch schon die wesentlichen Anfor-
antwort eines Übertragungskanals, insbesondere eines Mobil- derungen an einen Channel Sounder erkennbar. Neben einer
funkkanals. Der Begriff entstand in Anlehnung an klassische hohen Empfindlichkeit in den betrachteten Frequenzberei-
akustische Messverfahren zur Bestimmung von Distanzen, chen und Bandbreiten muss er schnell genug sein, um zeitli-
z. B. der Wassertiefe mit einem Echolot (echo sounding) [1]. che Änderungen des Kanals zu erkennen. Andererseits muss
BILD 1: Neue Spektren für die mobile Kommunikation. Quelle: ITU: Recommendation ITU-R V.431-7: ITU-Band Frequenzbereich
Nomenclature of the Frequency and Wavelength Bands Used in Telecommunications. X 8 GHz bis 12 GHz
Ku 12 GHz bis 18 GHz
K 18 GHz bis 27 GHz
Ka 27 GHz bis 40 GHz
Frequenzband Frequenzbereich Wellenlängenbereich
Q 33 GHz bis 50 GHz
UHF (Ultra High Frequency) 300 MHz bis 3 GHz 1 dm bis 10 dm
U 40 GHz bis 60 GHz
SHF (Super High Frequency) 3 GHz bis 30 GHz 1 cm bis 10 cm V 50 GHz bis 75 GHz
EHF (Extra High Frequency) 30 GHz bis 300 GHz 1 mm bis 10 mm E 60 GHz bis 90 GHz
14Einfluss eines Kanals auf ein Funksignal
Verzögerungsbereich
|h|2
Zeit t
BILD 2: Leistungsverzögerungs
τ0 Verzögerung τ
profil (englisch PDP) einer zeit
varianten Kanalimpulsantwort.
er aber auch jede einzelne Kanalimpulsantwort lange genug Warum überhaupt „5G sounding“?
messen, um den gesamten Verzögerungsbereich (delay Mit GSM begann das Zeitalter der digitalen Mobilkommu-
spread) zu erfassen, und das mit einer möglichst hohen zeit- nikation, aber auch die Herausforderung an die Hersteller
lichen Auflösung und Messdynamik. Wie so häufig sind das von Basis- und Mobilstationen, mit zeit- und ortsabhängi-
zwei sich widersprechende Anforderungen, die nur mit einem gen Funkkanälen umzugehen. Die Lösung des Problems
Kompromiss erfüllt werden können. Der bestmögliche Kom- lag insbesondere in der ausgiebigen Vermessung der Funk-
promiss wiederum hängt von dem betrachteten Szenario ab, kanäle und der Ableitung von Kanalmodellen daraus. Letz-
d. h. ob stationär oder in einer stark zeitvarianten Umgebung tere dienten dabei als wesentliche Entwicklungsgrundlage
(z. B. in einem Schnellzug) gemessen wird. Offensichtlich für das gesamte Mobilfunksystem einschließlich der Funk-
muss also ein Channel Sounder ein sehr hohes Maß an Quali- netzplanungswerkzeuge. Die Kanalmodelle wurden kontinu-
tät und Flexibilität mitbringen, und gerade deshalb ist die hier ierlich bis hin zur heutigen vierten Generation des Mobilfunks
vorgestellte Lösung besonders geeignet. (LTE-A) weiterentwickelt [2]. Da die bisherigen Mobilfunkge-
nerationen sich im Wesentlichen immer in den gleichen Fre-
Nun kann man die Kanalimpulsantwort durch Korrelation quenzbändern unterhalb von 3 GHz bewegten, konnten die
direkt im Zeitbereich messen. Dazu bedient man sich Kanalmodelle relativ einfach immer wieder angepasst wer-
der besonderen Autokorrelationseigenschaften bestimm- den. Bewegt man sich jedoch in völlig neue Frequenzbereiche,
ter komprimierter, periodischen Pulssignale [1]. Diese sog. etwa in den Millimeterwellenbereich, und erweitert man auch
Sounding-Signale sind sehr einfach in ihrer Struktur. Zum noch die Nutzkanalbandbreite auf ein Vielfaches der bisher
Beispiel eignen sich dafür einfache binäre Pseudozufallsfol- üblichen, dann sind die bisherigen Kanalmodelle nicht mehr
gen (Pseudo Random Binary Sequences, PRBS) maximaler hinreichend geeignet [1]. Es müssen also neue Modelle her,
Länge, sog. M-Sequenzen. Die Idee des Channel Soundings und die kann man nur aus den Daten ausgedehnter Chan-
ist dabei denkbar einfach: Eine periodische M-Sequenz wird nel-Sounding-Messkampagnen gewinnen. So wurden zum
über den zu untersuchenden Funkkanal gesendet. Das emp- Beispiel genau für diesen Zweck vom 3GPP beim „5G Start
fangene Signal wird am „Ende“ des Kanals mit der bekann- Workshop“ im September 2015 umfangreiche Messkampag-
ten M-Sequenz korreliert und liefert die gewünschte Kanal nen in typischen Umgebungsszenarien auf den Weg gebracht.
impulsantwort. Die Sounding-Sequenzen kann man noch
optimieren, z. B. hinsichtlich ihrer spektralen Reinheit oder
ihres Crest-Faktors. Deshalb werden neben M-Sequenzen
z. B. auch Frank-Zadoff-Chu-Sequenzen oder die aus der
Radartechnik bekannten FMCW-Signale (auch bekannt als
Chirp-Signale) verwendet.
NEUES 214/16 15Wireless-Technologien | Signalerzeugung und -analyse
Die Lösung R&S®SMW200A und dem Signal- und Spektrumanalysator
Eine Channel-Sounding-Lösung zur direkten Messung der R&S®FSW finden sich zwei Geräte mit den genau richtigen
Kanalimpulsantwort besteht aus einem qualitativ hoch- Eigenschaften im Rohde & Schwarz-Programm.
wertigen, flexiblen Sender für die Sounding-Sequenz und
einem hochempfindlichen Breitbandempfänger mit sehr Zur einfachen Bestimmung der Kanalimpulsantwort dient
hoher Messdynamik (BILD 3). Im Vektorsignalgenerator die neue MATLAB®-basierte PC-Applikationssoftware
Messaufbau für Channel Sounding
Erzeugen des Sounding-Signals Reale Umgebung Erfassen der I/Q-Daten Analyse der Kanalimpulsantwort
I/Q-Daten
¸SMW200A ¸FSW
BILD 3: Prinzipieller Aufbau für die direkte Messung der Kanalimpulsantwort (ohne Verkabelung und Antennen).
BILD 4: Exemplarische Messung eines Leistungsverzögerungsspektrums. Als Messtrecke diente das Atrium des Rohde & Schwarz-Schulungszentrums in
München. Gemessen wurde bei 17 GHz mit einer 13-dBi-Hornantenne auf der Senderseite (am R&S®SMW200A) und einer omnidirektionalen Breitband-
antenne auf der Empfangsseite (am R&S®FSW43), übrigens eine typische Antennenwahl für Channel-Sounding-Messkampagnen. Hervorstechend sind
die Reflexionen durch Boden und Decke des Gebäudes.
Direkte Sichtverbindung (Line Of Sight, LOS)
Reflexionen
16R&S®TS-5GCS. Sie wertet die vom R&S®FSW gelieferten I/Q- Fazit
Daten aus und berechnet die Kanalimpulsantwort per Korre- Mit der neuen Sounding-Software R&S®TS-5GCS im Verbund
lation mit einer kalibrierten Originalsequenz. Die Messdaten mit einem Generator R&S®SMW200A und einem Analysator
werden grafisch dargestellt und lassen sich MATLAB®-kompa- R&S®FSW steht schon heute eine kompakte, höchst flexible,
tibel exportieren (BILD 4 und 5). Der Anwender profitiert von stabile und damit reproduzierbare Lösung zur Kanalvermes-
den überragenden, stabilen Eigenschaften der Messgeräte sung in den hoch gelegenen Frequenzbändern der fünften
bei Frequenzen bis in den Millimeterwellenbereich und kann Generation des Mobilfunks zur Verfügung. Für alle Frequenz-
sich auf die Auswertung der Messdaten konzentrieren. Außer- lagen und Bandbreiten findet sich eine passende Geräte
dem liefert die Sounding-Software die notwendige Flexibilität version, aber auch geeignete Sende- und Empfangsanten-
bezüglich der Sounding-Sequenzen. Alle Sounding-Signale nen. Die Sounding-Software liefert dann die gesuchten Kanal
werden als R&S®SMW200A-kompatible Wellenformen mitge- impulsantworten auf eine erstaunlich komfortable Weise.
liefert. Außerdem kann der Anwender mithilfe der R&S®ARB Heinz Mellein; Johannes Köbele
Toolbox Plus die Sequenzen an seine Bedürfnisse anpassen
bzw. eigene Sounding-Sequenzen generieren.
Referenzen
[1] Radio Propagation Measurement and Channel Modeling, Sana Salous,
Durham University UK, published 2013 by John WILEY and Sons Ltd.
[2] WINNER II D1.1.2, „Channel models”, V1.2, 2008, erhältlich bei
http://www.ist-winner.org/deliverables.html.
BILD 5: Ein dreidimensionales Leistungsverzögerungs-Dopplerprofil. Zu jedem Echo wird die korrespondierende Dopplerfrequenzverschiebung gezeigt.
Das hier abgebildete Profil wurde nicht durch Messung einer realen Strecke gewonnen, sondern mit dem Fading-Simulator des R&S®SMW200A gene-
riert, mit dem sich sehr einfach die Funktion der Channel-Sounding-Software demonstrieren und verifizieren lässt.
NEUES 214/16 17Wireless-Technologien | Tester
IP-basierte Mobilfunk-
Sprachdienste testen
Die Mobilfunknetze ab der vierten Generation (LTE / LTE-A) nutzen für alle Dienste das Internet-Protokoll.
Damit traditionelle Dienste wie die Sprachkommunikation weiter funktionieren, ist zusätzliche Infrastruktur
erforderlich. Erst mithilfe des IP Multimedia Subsystems wird aus einem 4G-Endgerät ein „Telefon“. Der
R&S®CMW500 kann eine Vielzahl damit verbundener Testfragen beantworten.
Die All-IP-Kommunikation erschließt möglichst ausgeglichen werden, da sie – diesen Over-the-Top (OTT)-Applikatio-
dem Mobilfunk eine große neue Welt im Fall der Telefonie – einen erheblichen nen aber die eben erwähnte Integration
von Anwendungsmöglichkeiten, bedeu- Einfluss auf die Sprachqualität haben. fehlt, können sie keine QoS garantieren
tet aber auch, dass leitungsvermittelte 3GPP-basierte Mobilfunknetze wie LTE und daher nicht immer eine zufrieden-
Dienste, wie sie bisher in 2G- (GSM) bieten die Möglichkeit, die IP-basierten stellende User Experience bieten. Auch
und 3G-Netzen (UMTS) für die Sprach- Dienste auf der Transportebene zu sepa- ist der Nutzer von der Verbreitung der
übertragung üblich waren, nicht mehr rieren und je nach Notwendigkeit mit Applikation abhängig, da die verschie-
zur Verfügung stehen. Sprache muss einer zugesicherten Quality of Service denen Dienste in der Regel nicht inter-
stattdessen in IP-Pakete verpackt wer- (QoS) aufzubauen. Dies wird über soge- operabel sind. Das Fehlen von Mecha-
den. Zwar haben Datendienste (erst!) nannte Dedicated Bearer realisiert, die nismen zur Behandlung von Notrufen
im letzten Jahr die Sprachtelefonie als vom genutzten Dienst getriggert wer- ist ebenfalls ein deutlicher Nachteil die-
wichtigsten Umsatzbringer für die Netz- den. Ein Dedicated Bearer ist eine Art ser Anwendungen. Folglich müssen für
betreiber abgelöst, jedoch ist ihr Anteil virtueller Kanal mit eigener Netzadresse die Sprachunterstützung in LTE entspre-
immer noch beachtlich, sodass sie tech- (Port-Bereich) und festgelegten Perfor- chende Mechanismen und Architek-
nisch nicht vernachlässigt werden darf. mance-Eigenschaften. Voraussetzung turen im Mobilfunknetz realisiert wer-
Vor allem muss sichergestellt sein, dass für diese Funktionalität ist eine hohe den, die zum einen neue Features wie
die Sprachqualität nicht hinter den Integration der Dienste in das Endgerät Videotelefonie, aber auch bewährte und
gewohnten Standard zurückfällt. In der bzw. Modem. bekannte Funktionen wie die klassische
Praxis bereiten solche Legacy-Dienste Telefonie und Notrufe in garantiert hoher
IP-basierten Netzen häufig Probleme, da Services wie Skype oder Face Time Qualität ermöglichen.
es bei der Übertragung zu Paketverlus- bieten zwar bereits heute Funktionen
ten, Jitter oder der Verzögerung von IP- wie Videotelefonie und Nachrichten-
Paketen kommen kann. Diese Beein- dienste für Mobilgeräte, die die Erwar- Das IP Multimedia Subsystem
trächtigungen müssen im Empfänger tungshaltung der Nutzer bestimmen. Da Eine Schlüsseltechnologie zur Integra-
tion von Sprachdiensten in ein LTE-Netz
Netzarchitektur mit integriertem IMS ist das IP Multimedia Subsystem (IMS).
IMS bietet ein Framework für die Unter-
Applikationen
stützung IP-basierter Multimedia-
Dienste und erfordert neue Netzwerk-
SMS over IMS Voice over IMS (VoLTE) Video over IMS RCS …
elemente als Teil der Netzwerkarchitek-
tur (BILD 1).
IMS
IMS wurde vom 3GPP bereits im Rah-
men der UMTS-Standardisierung entwi-
ckelt und mit Verbesserungen nun auch
Breitbandkabel- Festanschluss Mobiler Zugang Breitband-Drahtlos-
Zugang (GSM, UMTS, LTE, C2K) Zugang (WLAN) für Sprachdienste in LTE (Voice over LTE,
VoLTE) herangezogen (BILD 2). Das Ses-
sion Initiation Protocol SIP ist das Basis-
BILD 1: IMS als Schlüsseltechnologie im Mobilfunknetz. protokoll von IMS, welches über ein
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