Netzwerk-Infrastruktur

Die Rolle von Small Cells im 5G-Netz

| Autor/ Redakteur: Suma Kapilavai / Jürgen Schreier

Die Bedeutung von Small Cells nimmt mit jedem "G" zu. Die kleinen Basisstationen sind eine probate Lösung, wenn die Mobilfunk-Carrier eine optimale Servicequalität auch am äußeren Rand ihres Netzwerks sichern wollen. Die LTE-A-Pro- und 5G-Services tragen ebenfalls zum wachsenden Interesse an der Technologie bei.

Nach einer Umfrage des Small Cell Forums setzen die Netzbetreiber auf Small Cells, um ihren Kunden größere Kapazitäten bei überschaubaren Kosten zur Verfügung zu stellen.
Nach einer Umfrage des Small Cell Forums setzen die Netzbetreiber auf Small Cells, um ihren Kunden größere Kapazitäten bei überschaubaren Kosten zur Verfügung zu stellen.
( Bild: Small Cell Forum )

Die Bereitstellung von Small Cells hat sich in Richtung einer groß angelegten Verdichtung verschoben, um die die Kapazität der Mobilfunknetze an einer Reihe von Standorten zu erhöhen und dem steigenden Bedarf an mobilem Breitband für Verbraucher und Unternehmen gerecht zu werden. 5G wird die der Verdichtung noch erhöhen und den Bedarf an Small Cells weiter steigern.

In einem Marktupdate des Small Cells Forum wurden 78 globale Mobilfunkbetreiber gebeten, ihre Gründe für die erwähnte Verdichtung zu nennen. Die wichtigsten Treiber dafür sind die gestiegenen Kapazitäten und Kosten.

  • 40 Prozent der Betreiber stellten verdichte Kapazitäten zur Verfügung, um den Nutzern ein verbessertes Mobilfunkerlebnis zu bieten. Damit will die Kundenzufriedenheit erhöhen und die Abwanderungsrate reduzieren.
  • 38 Prozent gaben an, dass durch die verstärkte Investitionen in Small Cells die Gesamtkosten der Netzkapazität vermindert werden sollen.

Die Mehrheit der Small Cells, die nicht in Wohnräumen zum Einsatz kommen, kommen im Bereich "Enterprise" zum Einsatz und sollen die Servicequalität für Unternehmen verbessern. Small Cells unter freiem Himmel versorgen öffentliche Mobilfunknetze in städtischen, suburbanen oder ländlichen Gebieten. In der 5G-Ära dürfte ein Großteil des Wachstums des Marktes für Small Cells aus der industriellen Datenkommunikation und Internet of Things-Diensten resultieren.

Small Cells entlasten die Makrozellen

Ziel des Einsatzes von Small Cells ist, die Belastung der Makrozellen zu verringern, indem sie die Netzwerkkapazität erhöhen und eine erweiterte Abdeckung bieten. Die Verwendung von Small Cells beschränkt sich auf "verdichtete" Bereiche und Innenräume - z.B. Fabrikhallen, Stadien oder Einkaufszentren -, in denen die Makro-Signaldurchdringung unzureichend ist.

Netzwerk mit massive MIMO und Small Cells
Netzwerk mit massive MIMO und Small Cells
( Bild: Qorvo )

Der Übergang von 4G/LTE auf 5G eröffnet ein völlig neues Spektrum mit zusammenhängenden Bandbreiten von mehr als 100 MHz im Bereich von 2,6 bis 5 GHz. Dieses zusätzliche Spektrum wird äußert sich in hohen Datenraten, was wiederum neue Marktchancen eröffnet. Darüber hinaus ist MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) höherer Ordnung die Standard-Makroarchitektur, die einen höheren Durchsatz und höhere Datenraten sicher stellt. Small Cells werden somit auch in Zukunft eine zentrale Rolle bei der Steigerung der 5G-Kapazität mit Indoor-Abdeckung spielen.

Traditionell wurden Small Cells in einer 2-Sender/2-Empfänger-(2T/2R)-MIMO-Konfiguration eingesetzt. Mit 5G wird diese Architektur aber auf 4T/4R für einen höheren Durchsatz erweitert. Diese kleinen Basisstationen sind mit 5G-Makrozellen vernetzt, die massive MIMO und AAS (aktive Antennensysteme) in Konfigurationen von 32T/32R und 64T/64R nutzen. Dies maximiert die spektrale Effizienz (mehr Bits pro Hz) für die Betreiber, indem es ein optimales Gleichgewicht zwischen Abdeckung und Kapazität bietet.

Fortschrittliche Antennenarray-Architektur reduziert Störungen

Massive MIMO ist seit der Veröffentlichung der Standards 4G/LTE-A PRO und 5G integraler Bestandteil des Netzwerks. Für 5G werden die Netzbetreiber kleine Zellen häufiger und rascher schneller als bei frühere Mobilfunkgenerationen einsetzen, da die Verdichtung "top-of-mind" ist.

Die Netzwerkkapazität steigt mit LTE-A aufgrund der massiven MIMO- und Small-Cell-Integration, wobei die die Kapazität mit 5G nochmals zulegen wird. Strahlformung (Beam Forming) und die fortschrittliche Antennenarray-Architektur tragen dazu bei, Co-Cell-Interferenzen zu reduzieren. Dieses neue Architekturdesign erhöht nicht nur die Bandbreite, sondern reduziert auch Störungen und sorgt für einen Kapazitätsaufwachs über Small Cells.

Eine typische Small Cell besteht aus "Radios" für lizenzierte Mobilfunk- und LTE-unlizenzierte (LTE-U) Bänder. Außerdem wird die Implementierung von IoT in Small Cells am Rande des Netzwerks forciert - also für die Haushalte, Unternehmen sowie die Kommunikation im Automobilbereich.

Doch welche Herausforderungen müssen sich die Hersteller und Zulieferer bei der Entwicklung von Small Cells stellen? Geringe Investitionskosten, Produktdifferenzierung, erstklassige Leistung und schnelle Markteinführung sind nur die wichtigsten. Zudem sehen sich die Hersteller mit dem bis dato größten Trade-off zwischen zusätzlichem Spektrum und Verdichtung konfrontiert.

Herausforderungen im 5G-Umfeld für die Hersteller von Small Cells
Herausforderungen im 5G-Umfeld für die Hersteller von Small Cells
( Bild: Qorvo )

Erhöhung der Anzahl der Bänder: So wie die Komplexität mobiler Endgeräte zugenommen hat, muss auch die Small Cell vielfältiger werden. Auch die Anzahl der Bänder hat sich erhöht, auf jetzt 52. Mit den neuen 5G-NR-Bändern wie n77, n78 und n79 bewegen sich Frequenzbänder über die 3 GHz hinaus. Die Integration zusätzlicher Bänder in die Small Cells sowie die Einführung der 4T4R-MIMO-Funkkonfiguration ermöglichen Carrier Aggregation (CA), was Netzwerkkapazität und Datengeschwindigkeit weiter erhöht. Ein großes Portfolio an HF-Frontend-Komponenten, die Multi-Band-Lösungen aus einer Hand erlauben, ist optimal. Dies kann die Entwicklungszeit und die Lieferantenqualifikation für den Hersteller von Small Cells verkürzen.

Was sind Small Cells?

Eine Small Cell ist eine Funkbasisstation mit niedriger Ausgangsleistung und entsprechend geringer Reichweite. Die Ausdehnung einer Small Cell kann von zehn Metern bis zu einige Kilometer betragen. Small Cells lassen sich im Innen- und Außenbereich einsetzen, und zwar im lizenzierten, freigegebenen oder nicht lizenzierten Spektrum.

Diese kleinen Basisstationen ergänzen das Makronetzwerk, um die Abdeckung zu verbessern, gezielt Kapazitäten hinzuzufügen und neue Dienste und Benutzerlebnisse zu unterstützen. Es gibt je nach Anwendungsfall verschiedene Arten von Small Cells mit unterschiedlichen Reichweiten, in verschiedenen Leistungsstufen und Formfaktoren. Bisweilen nutzen Small Cells eine zentrale Base Transceiver Station und verteilte und kompakte Remote Radio Heads als Sendeantennen.

So werden sie in den in Europa üblichen GSM-, UMTS-, sowie LTE-Netzen eingesetzt und werden gerade mit dem Aufkommen von 5G noch eine große Rolle spielen. Denn von den frühen Phasen der 5G-Planung bis hin zur detaillierten Entwicklung der 5G-Anforderungen war stets klar, dass Small Cells eine Schlüsselkomponente darstellen, um den Weg zu 5G praktisch und profitabel zu gestalten.

So eignen sich Small Cells vor allem für Bereiche mit hohem Funk-"Traffic" (Städten, Stadien, Verkehrsknotenpunkte). Auch ermöglichen Small Cells die skalierbare und kostengünstige Bereitstellung von Mobilfunkkapazität durch Drittanbieter oder Endanwender.

5G: Ohne Breitbandverstärkung geht es nicht

Größere Bandbreitenanforderungen: Wie bereits erwähnt, ist der Bedarf an mehr Spektrum entscheidend für die Kapazitätserweiterung. Die Kapazität muss steigen, um die hohen Erwartungen an 5G erfüllen zu können. Um die Funkkapazität in 5G zu erreichen, muss das Frontend von Small Cells eine Breitbandverstärkung nutzen, da Schmalbandgeräte nicht mehr ausreichen.

Ein HF-Produktportfolio, das sowohl LTE-A PRO als auch 5G-Bänder umfasst, ist wichtig, weil es dem Hersteller von Small Cells mehr Flexibilität in Bezug auf Design und die Bevorratung bietet. Darüber hinaus trägt die Bereitstellung von HF-Komponenten mit größerer Bandbreite dazu bei, die gestiegenen Bandbreitenanforderungen mit weniger diskreten Komponenten zu erfüllen, was die Entwicklungszeit und die Markteinführungszeit verkürzt.

Koexistenz zwischen Bändern und Standards: Die Carrier müssen die Kapazitäts- und Datenratenanforderungen für 4G/LTE, 5G und nicht lizenzierte Bänder erfüllen. Sie müssen Einheiten entwickeln, die Störungen zwischen all diesen Bändern und Standards (LTE, 5G, WiFi usw.) minimieren. Diese Störungen können innerhalb kleiner Zelleinheiten und um die Einheit herum auftreten. Der Einsatz von BAW-Filtern (BAW = Bulk Acoustic Wave) ist der beste Ansatz , um das Störungsproblem in den Griff zu bekommen.

BAW-Filter haben kleinere Baugrößen als SAW-Filter (Akustische-Oberflächenwellen-Filter), dazu eine kleinere Einfügedämpfung (< 0,5 dB) und einen besseren Temperaturkoeffizienten. Außerdem sind sie gegenüber elektrostatischen Entladungen unempfindlicher. Einen weiteren Vorteil stellen die günstigeren Produktionskosten, da BAW-Filter auf der CMOS-Technologie basieren und somit keine Sondermaterialien für spezielle Substrate benötigt werden.

Mit DPD Small Cells flexibler entwickeln

Die Ausgangsleistungen steigen: In letzter Zeit hat es Anstöße gegeben, die durchschnittlichen PA-Ausgangsleistungen zu erhöhen. Hersteller von Small Cells rufen nach höheren HF-PA-Ausgangsleistungen, um die Flexibilität des Designs zu verbessern. Dies hilft ihnen, das Design auf verschiedene Marktsegmente zu skalieren. Das erhöht jedoch die Komplexität für PA-Designer, da sie parallel zur PA-Ausgangsleistung erhöhen ein hohes Maß an Linearität und Effizienz beibehalten müssen.

In letzter Zeit ist der Bedarf an Ausgangsleistung um rund 3 dB gestiegen. Das höhere Niveau birgt aber die Gefahr von Out-of-Band-Verzerrungen und macht es für die Hersteller schwerer, die Anforderungen an die spektrale Emissionsmaske zu erfüllen. Die Suche nach HF-Anbietern mit PA-Produkten (PA = Power Amplifier), die diese hohen Leistungsanforderungen erfüllen, hilft, die Konstruktionszeit zu verkürzen und kann obendrein die Anzahl der Komponenten in der HF-Kette reduzieren.

Eine PA arbeitet am effizientesten in der Nähe der Sättigung. Allerdings kann eine PA sogenannte Out-of-Band-Emissionen erzeugen. Durch eine Konstruktionstechnik, die als Digital Pre-Distortion (DPD) bekannt ist, kann die PA näher an die Sättigung herankommen, wobei die Out-of-Band-Verzerrung minimiert wird. DPD ist ein softwarebasiertes Entwurfsverfahren zur Beseitigung von Verzerrungen unter Verwendung digitaler Signalverarbeitungstechniken.

DPD ermöglicht, dass eine PA auf eine geringere Verlustleistung hin ausgelegt werden kann, aber dennoch eine (ähnliche) Ausgangsleistung erreicht wird und die Anforderungen an die spektrale Emissionsmaske wie eine lineare PA erfüllt. Diese Technik gibt es seit mehreren Jahren und wird häufig bei der Entwicklung drahtloser Infrastrukturen eingesetzt. Viele HF-Komponentenlieferanten bieten sowohl DPD- als auch Nicht-DPD-Komponenten an, um kleinen Zellenherstellern Design und SKU-Flexibilität zu ermöglichen.

Wirkungsgrad von Small Cells muss deutlich steigen

Größe, Gewicht und Stromverbrauch erfordern effizientere Geräte: Da Small Cells häufig an Lichtmasten, Verkehrsschildern, Bushaltestellen oder unter Straßendeckeln installiert werden, müssen die Komponenten klein und effizient sein. Typischerweise brauchen Small Cells einen um mindestens 35 Prozent höheren Wirkungsgrad des Ausgangsverstärkers, da nur so die Forderung nach einem niedrigen Stromverbrauch bei günstigen Betriebskosten erfüllt werden kann.

Kurze Übersicht über Qorvo-Produkte für Small Cells
Kurze Übersicht über Qorvo-Produkte für Small Cells
( Bild: Qorvo )

Die Größe der Einheit wird letztlich durch ihre Platzierung bestimmt. Um die Erwartungen der Kunden an den Formfaktor zu erfüllen, müssen Hersteller von HF-Komponenten linearere und stromsparendere Geräte entwickeln. Auf diese Weise werden sie den Größenbeschränkungen sowie Anforderungen an die Leistungsabgabe und den geringeren Stromverbrauch gerecht.

Eine umfassende Auflistung von Qorvo-Systemen für Small Cells finden Sie in der Broschüre "Solving Network Congestion & Efficiency with Small Cells".

Suma Kapilavai ist Produktlinienmanager Netzwerkinfrastrukturprodukte bei Qorvo. Der Beitrag ist in englischer Sprache im Qorvo-Blog erschienen.

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