5G

Komponententests over the Air sind entscheidend

| Autor/ Redakteur: Christoph Pointner * / Hendrik Härter

Endgeräte und Basisstationen für die fünfte Mobilfunkgeneration sind viel höher integriert als LTE-Modelle. Zudem gibt es erheblich mehr Gerätevarianten. Bei ihrer Entwicklung werden OTA-Tests eine entscheidende Rolle spielen.

Fünfte Mobilfunkgeneration: Bei 5G ist ein drahtbebundener Test nicht realistisch. Der OTA-Test ist notwendig.
Fünfte Mobilfunkgeneration: Bei 5G ist ein drahtbebundener Test nicht realistisch. Der OTA-Test ist notwendig.
( Bild: Rohde & Schwarz )

Mit Over-the-Air (OTA)-Tests lässt sich die Zuverlässigkeit und Performance von Wireless-Geräten wie Mobiltelefonen, Tablets sowie auch Basisstationen bewerten und zertifizieren. Hierbei ist es unerlässlich, solche OTA-Tests in einer Umgebung durchzuführen, die den tatsächlichen Einsatzbedingungen möglichst nahekommt. Dabei werden sich die Tests der Komponenten für die künftige 5G-Umgebung erheblich von denen für 4G/LTE unterscheiden.

Ein einfaches und zugleich kostengünstiges Verfahren ist es, die Mobilgeräte über Kabel mit der Testausrüstung zu verbinden. Doch so simuliert der Tester nicht das tatsächliche Verhalten der Geräte unter realen Einsatzbedingungen. Mit zunehmendem Integrationsgrad der Geräte eignet sich diese Methode immer weniger.

Netzbetreiber, die höhere Frequenzen nutzen müssen, um die notwendigen Bandbreiten für 5G zu erhalten, werden vor große Herausforderungen gestellt. Um Mobilgeräte unter realistischen Bedingungen testen zu können, müssen die Tests drahtlos über die Luftschnittstelle erfolgen. Die Entwickler können so die tatsächliche Ausbreitung der Funkwellen durch die Luft von einem Endgerät zur Basisstation und umgekehrt von der Basisstation zum Endgerät prüfen.

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Zwei Gründe für einen OTA-Test bei 5G

Bei den Entwicklungen für 5G werden vor allem aus zwei Gründen OTA-Tests notwendig: Erstens nimmt der Integrationsgrad der Prüflinge erheblich zu, sodass es technisch nicht mehr möglich ist, die Prüflinge über Kabel mit der Testausrüstung zu verbinden. Schon deshalb gibt es keine Alternative zu OTA-Tests.

Zweitens sind die Signalabsorptionsraten bei Frequenzen im Millimeterwellenbereich wesentlich höher. Um hier einen ausreichenden Signalpegel zu erzielen, ist eine Fokussierung und Formung des Sendestrahls erforderlich (Beamfocusing/-forming) (Bild 1). Entsprechend werden Testaufbauten für die Strahlcharakterisierung sowie die Prüfung der Strahlerfassung und -nachführung notwendig. Nur OTA-Testsysteme bieten diesen Funktionsumfang.

Der aktuelle Stand der OTA-Testtechnik

Zahlreiche Regulierungsbehörden, Normungsorganisationen, Industriegremien und Netzbetreiber schreiben Tests von Mobilfunkgeräten über die Luftschnittstelle vor. Um den weltweiten Zugang und die Interoperabilität der Mobilfunksysteme sicherzustellen, wurden Zertifizierungstests entwickelt, damit Hersteller weltweit bei allen neuen Mobilgeräten die gleichen Qualitätsstandards einhalten.

Die Cellular Telephone Industries Association (CTIA) hat Standards für OTA-Tests von 3G- und 4G LTE-Geräten festgelegt und verfügt über Zertifizierungslabore auf der ganzen Welt. Es wurden Mindestanforderungen für die OTA-Performance im Hinblick auf die beim Senden abgestrahlte Leistung und die Empfindlichkeit des Empfängers definiert, sodass alle Anrufe unter vordefinierten Bedingungen empfangen werden. Insbesondere in den USA haben auch die Netzbetreiber Mindestanforderungen an die Leistung vorgegeben, die erfüllt sein müssen, bevor ein neues Gerät zum Betrieb im jeweiligen Netzwerk zugelassen wird.

In der Regel werden während der F&E-Phase für alle Geräte, die elektromagnetische Wellen aussenden, über die Luftschnittstelle getestet. Bei aktuellen Mobiltelefonen sollen die Tests beispielsweise sicherstellen, dass das Signal homogen ist, also das gleiche Signal in alle Richtungen ausgesendet und umgekehrt aus allen Richtungen empfangen wird (Bild 2).

Es ist wichtig, dass die Antenne in alle Richtungen sendet, damit sich der Benutzer nicht in eine bestimmte Richtung drehen muss, um ein gutes Signal zu erhalten. Außerdem darf die Funkverbindung nicht abreißen, wenn sich der Benutzer an einem hohen Gebäude vorbeibewegt. Für F&E ausgelegte OTA-Testausrüstung ist insbesondere nützlich, um bereits in einer frühen Phase der Produktentwicklung potentielle Probleme zu identifizieren.

Die Auswirkungen von 5G auf OTA-Tests

Um Platz für die zusätzlichen Benutzer und die verlangten größeren Bandbreiten und höheren Datenraten zu schaffen, müssen die Mobilfunkbetreiber auf höherfrequente Bänder im Zentimeter- und Millimeterwellenbereich zurückgreifen. Sie liegen bei 30, 40, 50, 60 oder sogar 90 GHz. So wie die Wellenlänge umgekehrt proportional zur Frequenz ist, nimmt auch die Sendereichweite für einen bestimmten Leistungspegel mit der Frequenz ab.

Neue Entwicklungen sollen die Verluste durch Freiraumdämpfung, Luftabsorption, Streuung durch Regen und Gase sowie Abschattung eindämmen. Das erhöht den Integrationsgrad von 5G-Komponenten erheblich. Bei solchen Geräten sind Tests über Kabelverbindungen extrem schwierig oder oft sogar physisch unmöglich durchzuführen. Deshalb werden OTA-Tests für 5G eine entscheidende Rolle spielen.

Die Signalabsorption im Zusammenhang mit den oben beschriebenen Verlustquellen nimmt bei höheren Frequenzen erheblich zu. Um dennoch die notwendige Kommunikationsreichweite zu gewährleisten, müssen die Hersteller entweder die Senderleistung erhöhen oder die vom Mobilfunkgerät abgestrahlte Energie auf einen starken, schmalen Strahl konzentrieren. Hierfür werden neue Antennenstrukturen und Antennenarrays benötigt, die dafür sorgen, dass die Strahlen korrekt fokussiert werden.

Die fokussierten Strahlen benötigen eine räumliche oder direktionale Komponente, um sicherzustellen, dass der Strahl in die richtige Richtung weist und das System den Strahl umschalten kann, wenn ein Kommunikationskanal blockiert ist. Die Beamforming-Methode erweitert das als MIMO (Multiple Input Multiple Output) bekannte Mehrantennenkonzept, da eine Basisstation nun gleichzeitig an mehrere, unabhängig voneinander positionierte Endgeräte Daten senden kann. Durch das Beamforming reduziert sich der Energieverbrauch, weil die Hauptsendekeule direkt ein Endgerät mit dem ihm zugewiesenen Signal anspricht, während andere Endgeräte explizit ausgenommen sind (Bild 3). Diese werden somit auch nicht durch das Signal gestört.

Der Einsatz von Steckverbindern zum Testen wird aufgrund der hohen Kosten, der hohen Verluste und des Kopplungsgrads (Bild 4) nicht möglich sein. Zudem sind bei sogenannten Massive-MIMO-Systemen mit 64 bis 128 polarisierten Antennen die Transceiver in den Antennen integriert, was zu einem Wegfall der HF-Testports führt (Bild 5). Hier kann die Funk- und Antennenleistung des Prüflings allein über die Luftschnittstelle gemessen werden. Deshalb sind OTA-Tests für 5G von fundamentaler Bedeutung. Sie sind die Voraussetzung für die Entwicklung neuer Designs und deren Zertifizierung. Die Testsysteme für 5G werden voraussichtlich im Wesentlichen die gleichen Grundkomponenten wie bisher aufweisen, jedoch angepasst für die höheren Frequenzen.

Die Systemkomponenten für einen OTA-Test

Die Schlüsselkomponenten eines OTA-Testsystems sind eine Prüfkammer mit einer Positionierungsausrüstung, Messgeräte zur Erzeugung und Analyse der Signale sowie Messantennen. Hinzu kommt eine Steuerungs- und Reporting-Software zur Automatisierung der Messungen (Bild 6). Die Kommunikation zwischen dem Prüfling und der Messantenne muss so eingerichtet werden, dass das zu testende Gerät die Signale ordnungsgemäß sendet und empfängt.

OTA-Tests werden heute in einer idealen, also einer geschirmten und gekapselten Umgebung innerhalb einer reflexions- und echofreien Absorberkammer ausgeführt. Diese Kammer ist mit Schaumstoffpyramiden zur Absorption reflektierter Signale ausgekleidet. Ihre Größe hängt vom Objekt und den zu testenden Frequenzbereichen ab. Die Tests berücksichtigen die Abstrahleigenschaften der Geräte, während Störungen durch alle anderen Signalquellen minimiert werden.

Beispiele für typische OTA-Messungen

Verschiedene Nutzungsszenarien wie die Verwendung eines Mobilgeräts in Gebäuden oder im Freien, in städtischem oder ländlichem Umfeld, auf offenen Flächen oder in Wäldern, stationär oder in Bewegung und in der Nähe anderer Mobilfunkgeräte sind zwar für die Praxis relevant, lassen sich jedoch nicht für Testzwecke quantifizieren. Deshalb werden solche realen Einsatzbedingungen über verschiedene genau definierte Testszenarien simuliert, die derzeit auch für 5G-Anwendungen weiterentwickelt werden. Für Zertifizierungstests werden Prüfkammern mit vorgegebener Spezifikation eingesetzt, die genaue, wiederholbare und reproduzierbare Messungen ermöglichen.

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Über OTA-Tests prüfen die Testingenieure Performance-Faktoren wie den Signalweg, den Antennengewinn und die Strahlungscharakteristik sowie die abgestrahlte Leistung und Empfindlichkeit des Prüflings gegenüber internen Komponenten sowie in Bezug auf andere Geräte. Hinzu kommen Tests zu Zuverlässigkeits- und Sicherheitsaspekten. Im Mai 2015 legte die CTIA mit dem „Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance“ die Test- und Konfigurationsverfahren sowie Messmethoden für OTA-Messungen fest. Diese umfassen ausschließlich die Messung von Leistung und Performance.

Zu den wichtigsten OTA-Tests gehören aktuell die Messung der gesamten gestrahlten HF-Leistung (Total Radiated Power, TRP), der gesamten isotropen Empfängerempfindlichkeit (Total Isotropic Sensitivity, TIS; gemäß CTIA-Spezifikation), der gesamten gestrahlten Empfängerempfindlichkeit (Total Radiated Sensitivity, TRS; gemäß 3GPP-Spezifikation), der äquivalenten isotropen Strahlungsleistung (Equivalent Isotropically Radiated Power, EIRP) und der gestrahlten Empfängerempfindlichkeit auf Zwischenkanäle (Radiated Sensitivity on Intermediate Channels, RSIC) eines Geräts. Die TRP ist ein Indikator für die Sender-Performance, während TIS und TRS den Empfänger betreffen.

Weitere Messungen werden durchgeführt, um die Strahlungscharakteristik und Effizienz der Antenne zu bestimmen. Mit Hilfe von Koexistenzmessungen wird der Empfindlichkeitsverlust bei parallelem Betrieb mehrerer Mobilfunktechnologien bewertet. Werden OTA-Tests während der Entwicklung eines Geräts durchgeführt, können Entwickler die dabei festgestellten Problempunkte frühzeitig lösen und so die Geräte-Performance kontinuierlich optimieren.

Was bei Messungen von 5G-OTA zu beachten ist

Der Aufbau eines OTA-Testsystems und die Durchführung der Messungen sind mit verschiedenen Herausforderungen verbunden. Einiges davon betrifft das Antennensystem. So müssen im Kontext der 5G-Einführung ein geeigneter Messaufbau und die richtige Positionierung der 3D-Antennen zum Testen der beweglichen Strahlen unter Berücksichtigung von Störsignalen und Streuung bestimmt werden. Dazu ist eine neue Messdimension – Raum bzw. Leistung versus Abstrahlrichtung – notwendig. Die Geräte müssen insbesondere auch dem blockierenden Effekt des menschlichen Körpers auf das Strahlungsmuster Rechnung tragen. Dazu werden bei den OTA-Tests Phantome eingesetzt (Bild 7).

OTA-Tests zur Bestimmung des dreidimensionalen Antennendiagramms können entweder im Nahfeld oder im Fernfeld durchgeführt werden. Messungen im Nahfeld haben den Vorteil, dass kleinere Absorberkammern verwendet werden können. Sie erfordern allerdings einen Messaufbau, mit dem sowohl die Phase als auch die Amplitude mit hoher Ortsgenauigkeit messbar sind, und machen eine Nachbearbeitung, die sogenannte Nahfeld-Fernfeld-Transformation, notwendig (Bild 8).

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass jeder einzelne Transceiver im aktiven Antennensystem über eine OTA-Schnittstelle charakterisiert werden muss. Dabei sind Messungen sowohl für den Sender als auch den Empfänger durchzuführen. Für eine individuelle Verifizierung muss jeder Transceiver eingeschaltet werden und für eine gemeinsame Beurteilung eine Gruppe von Transceivern.

Dynamische Strahlmesssysteme notwendig

Eine dritte Herausforderung betrifft das Beamforming, das bei 5G eine wichtige Rolle spielt. Aufgrund der hohen Funkfelddämpfung und begrenzten Reichweite eines Millimeterwellen-Funksystems ist es entscheidend, dass die Geräte den Sendestrahl präzise erzeugen, ihn schnell erfassen und nachführen können. Für die bestehenden zellularen Technologien reicht eine statische Strahlmustercharakterisierung aus, doch bei den künftigen Millimeterwellensystemen sind dynamische Strahlmesssysteme notwendig, um die Algorithmen für Strahlnachführung und Strahlschwenkung exakt zu charakterisieren.

Eine Reihe ganz spezieller Herausforderungen betreffen die Prüfungen der Geräte auf HF-Konformität. Heute werden zu diesem Zweck gut charakterisierte kabelbasierte Testportverbindungen verwendet, die wiederholbare Messungen ermöglichen. Da 5G-Geräte über keine HF-Testports mit Steckverbinder verfügen, müssen der entsprechende Messaufbau und die notwendige Kalibrierung für eine OTA-Umgebung definiert werden.

Tests in der Fertigung

Ein ähnliches Problem entsteht bei der Fertigung. Für alle funkenden Geräte sind Strahlungsmessungen verpflichtend. Angesichts extrem hoher Produktionsgeschwindigkeiten müssen die OTA-Testsysteme flexibel sein und sich schnell an die Testanforderungen zukünftiger und noch unvorhersehbarer Geräte anpassen lassen, ohne dass dabei Kompromisse bei Qualität oder Gründlichkeit der Testverfahren eingegangen werden. Zu den Produktionstests gehören Funktionstests der komplett montierten Einheit sowie die Kalibrierung des Antennensystems. Diese gewährleistet, dass die Fehlanpassung zwischen den HF-Signalwegen unterhalb eines bestimmten Grenzwerts bleibt.

Die Auswahl eines OTA-Testsystems

Bei der Auswahl eines OTA-Performance-Testsystems sind Flexibilität und Skalierbarkeit die wichtigsten Kriterien, damit es für diverse Frequenzbereiche, Gerätegrößen und Nutzungsmuster verwendbar ist. Ein OTA-Testsystem kann eine Zusammenstellung von einzelnen Komponenten sein, die der Anwender selbst montiert und integriert. Sinnvoller ist aber ein schlüsselfertiges System.

Angesichts der Komplexität der Systeme und der notwendigen Integration vieler unterschiedlicher Komponenten ist der Erwerb eines schlüsselfertigen Systems der schnellste Weg zum Erfolg. Zum einen sind die Komponenten aufeinander abgestimmt. Und zum anderen kann der Anbieter des OTA-Testsystems bei der Auswahl der benötigten Funktionen behilflich sein, Zusatzfunktionen für spezielle Kundenanforderungen vorschlagen und alle Phasen von der Installation bis zur Nutzung begleiten.

Mit 5G werden für OTA-Tests neue Verfahren aufkommen. Die Ausrüstung muss für die künftigen Mobilfunkgerätedesigns anpassbar sein, die noch lange nicht feststehen. Um hier die neuesten Trends und übergeordneten Marktanforderungen im Blick zu behalten, sollte der Anbieter des OTA-Testsystems im engen Kontakt mit den Geräte- und Komponentenherstellern sein und sich in den relevanten Standardisierungsgremien und Workshops engagieren.

Das bietet Rohde & Schwarz für OTA-Tests

Rohde & Schwarz bietet mit Performance Test System für OTA R&S TS8991 ein Mobilfunktestsystem aus einer Hand an, das den Anforderungen der Zertifizierungstests von Industrie und Regulierungsbehörden gerecht wird. Es umfasst eine Absorberkammer, die Positionierungsausrüstung, Testgeräte und eine automatisierte Messsoftware. Es ist mit den Testplänen der CTIA, der CTIA & Wi-FI Alliance sowie 3GPP-konform.

Das Testsystem ist in verschiedenen Größen erhältlich. Zudem ermöglicht der modulare Aufbau kundenspezifische Konfigurationen. Die Systeme lassen sich im Hinblick auf Größe, Funktionsumfang, Frequenzbereich und mögliche Anwendungen auf individuelle Kundenanforderungen zuschneiden. Erste Versionen für 5G-Testanwendungen sind bereits installiert.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal ELEKTRONIKPRAXIS erschienen.

* Christoph Pointner leitet das Fachgebiet Signalgeneratoren, Audioanalysatoren und Leistungsmesser bei Rohde & Schwarz in München.

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