"Smart" Antennen zur Verfügung stellt 5G (Teil 1)

Originalautor: Theodore S. Rappaport, Wonil Roh und Kyungwhoon Cheun
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Die Mobilfunkbranche wird in Zukunft zwangsläufig auf einen neuen Standard umsteigen müssen. Früher oder später wird die Bandbreite von 4G-Netzen nicht ausreichen. Das ist unvermeidlich. Einer der Faktoren, die die Implementierung einer abstrakten 5G-Technologie erheblich beschleunigen können, ist die Enge des verfügbaren Funkfrequenzbereichs. Natürlich erschwinglich für den kommerziellen Einsatz. Die Lösung des Problems könnte der Übergang zu einem anderen Teil des Hochfrequenzspektrums sein - dem Millimeterbereich. Wir wollen darüber sprechen, was uns jetzt daran hindert und was uns in Zukunft bei der Übersetzung eines Artikels helfen wird .

Fast überfälliges Problem


Der starke Mangel an verfügbaren Frequenzen für Mobilfunkbetreiber zwingt sie dazu, enorme Summen für den Erwerb von Nutzungsrechten auszugeben. Manchmal muss man sogar Maßnahmen ergreifen, um Konkurrenten zu absorbieren und deren Anteil am Funkfrequenzbereich zu ermitteln. Eine solche ungesunde Situation wurde geschaffen, weil sich die Branche während ihres 40-jährigen Bestehens ausschließlich auf den Dezimeterbereich stützte300 MHz - 3 GHz. Es nimmt aber nur etwa 1% des gesamten geregelten Frequenzspektrums ein. Funkingenieure haben es immer als am besten für Mobilfunknetze geeignet erachtet. Die Wellenlängen in diesem Bereich sind kurz genug, um mit kleinen Antennen auszukommen. Gleichzeitig reichen die Wellenlängen aber immer noch aus, um Hindernisse wie Gebäude und Vegetation abzurunden und zu durchqueren. Selbst mit einer geringen Strahlungsleistung ermöglicht die Reichweite des Dezimeters eine Kommunikation über mehrere Kilometer in nahezu jeder Funkumgebung, zumindest in der Metropole, auch auf dem Feld.

Das Problem ist, dass der Dezimeterbereich nicht mehr ausreicht, unabhängig davon, wie hoch die Zahlungsbereitschaft der Bediener ist. Die Nutzung von Smartphones und Tablets hat um ein Vielfaches zugenommen, die Menschen nutzen das Internet aktiv, sehen sich Streaming-Videos an, tauschen Fotos im laufenden Betrieb aus - heute werden mehr Informationen „über das Mobilfunknetz“ übertragen als jemals zuvor. Laut Berichten von Cisco und Ericsson verdoppelt sich der weltweite Mobilfunkverkehr jedes Jahr nahezu , und dieses exponentielle Wachstum wird sich auf absehbare Zeit fortsetzen . Bis 2020 wird der durchschnittliche Mobilfunknutzer etwa 1 Terabyte pro Jahr herunterladen.

Verschiedene Gruppen, die Funkstandards entwickeln, haben alle Arten von Empfehlungen entwickelt, um die Bandbreite von LTE-Netzen zu erhöhen.. Hier die Verwendung mehrerer Antennen und die Reduzierung der Zellengröße sowie die "intelligente" Interaktion zwischen Geräten. Aber keine dieser Lösungen wird das Verkehrswachstum in den nächsten 4-6 Jahren bewältigen. Vertreter der Industrie gehen davon aus, dass die 5G-Technologie bis Ende dieses Jahrzehnts gefragt sein wird. Und um neue Netzwerke zu implementieren, müssen die Betreiber neue Bands zu bekommen. Aber wo bekommt man sie?

Millimeter


Der Millimeterbereich liegt im Bereich von 30 bis 300 GHz. Für unsere Verhältnisse können wir ihm jedoch auch einen großen Teil des benachbarten Zentimeterbereichs (10-30 GHz) zuordnen, da seine Wellen um Hindernisse herumlaufen, die fast den Millimetern gleichen. In den meisten Fällen können staatliche Regulierungsbehörden einen Abschnitt mit einer Breite von bis zu 100 GHz zuweisen . Dies ist mehr als das 100-fache der Breite des Bereichs, der heute für die Anforderungen der zellularen Kommunikation bereitgestellt wird. Das heißt, die Betreiber werden theoretisch in der Lage sein, den Durchsatz im Vergleich zu LTE-Netzen um das 100-fache zu steigern.

Wenn es Ihnen so vorkommt, als ob das alles zu schön wäre, um wahr zu sein, dann sind Sie weit davon entfernt, alleine zu sein. Bis vor kurzem hätten die meisten Experten dasselbe gesagt. Die Betreiber haben die Möglichkeit, den Millimeterbereich zu nutzen, immer abgelehnt, weil die dafür notwendige Ausstattung zu teuer war. Es wird auch allgemein angenommen, dass sich Millimeterwellen unter Entwicklungsbedingungen schlechter ausbreiten, von der Atmosphäre, den Regentropfen und der Vegetation absorbiert oder gestreut werden und auch nicht in die Räumlichkeiten eindringen können.

All diese Ideen werden jetzt jedoch schnell widerlegt.

Die Geschichte


Die neue Millimeter-Technologie für die Mobilkommunikation hat eine lange und interessante Geschichte. Im Jahr 1895, ein Jahr bevor Guglielmo Marconi seinen Telegraphenapparat vorführte, kündigte der hinduistische Enzyklopädist Jagdish Chandra Bose das erste Millimeterwellensignalgerät der Welt an. Mit einem Funkensender sandte er ein Signal mit einer Frequenz von 60 GHz durch drei Wände und den Körper des örtlichen Gouverneurs zu einer trichterförmigen Hornantenne mit einem 23 Meter entfernten Detektor. Als Bestätigung des empfangenen Signals tätigte ein einfaches Gerät einen Anruf, feuerte eine Waffe ab und zündete eine kleine Mine.

Boches Erfindung ging jedoch erst mehr als 50 Jahre später über das Labor hinaus. Die ersten, die Millimetergeräte verwendeten, waren Militär- und Radioastronomen, die sie für Radare bzw. Radioteleskope adaptierten. Nach mehreren Jahrzehnten zogen sich die Autohersteller hoch und verwendeten Millimeterwellenfrequenzen, um eine Geschwindigkeitsregelung und ein Kollisionswarnsystem zu schaffen.

Während des Dotcom-Booms wurden mit großem Aufwand Projekte gestartet, die den Millimeterbereich zum Aufbau lokaler Netzwerke nutzen sollten. Zu diesem Zweck haben die Regierungen vieler Länder riesige Frequenzbänder zugeteilt oder versteigert. Die fertigen Produkte kamen jedoch nur schwer heraus. Die Hersteller erkannten schnell, dass Millimeterwellen-HF-Schaltungen und -Antennen sehr teuer waren. Die Halbleiterindustrie hatte einfach keinen Anreiz, kommerzielle Geräte schnell genug zu produzieren, um mit solchen Frequenzen zu arbeiten. So blieb der Millimeterbereich etwa 20 Jahre lang nicht beansprucht.

Unsere Tage


Aber jetzt ändert sich die Situation. Dank des Moore-Gesetzes und der wachsenden Beliebtheit aller auf Radartechnologie basierenden Optionen für teure Autos können Sie heute ein fertiges Millimeter-Radio in CMOS oder einen Silizium-Germanium-Chip einbauen . Der Preis für Millimetergeräte sinkt also rapide. Viele High-End-Smartphones, Fernseher und Gaming-Laptops enthalten heute drahtlose Chipsätze, die zwei konkurrierenden Standards entsprechen: Wireless High Definition ( WirelessHD ) und Wireless Gigabit ( WiGig ).

Diese Technologien sind nicht dafür ausgelegt, beispielsweise ein Smartphone mit einer Basisstation zu kommunizieren. Sie ermöglichen die Übertragung großer Datenmengen, z. B. unkomprimiertes Video, über kurze Entfernungen ohne umständliche Ethernet- oder HDMI-Kabel. Beide Standards arbeiten mit Frequenzen von etwa 60 GHz in einem Band mit einer Breite von 5 bis 7 GHz, abhängig von den Anforderungen eines bestimmten Landes. Diese Bänder sind viel breiter als die schnellsten Wi-Fi-Netzwerke und bieten eine Bandbreite von bis zu 7 Gbit / s.

Hersteller von Geräten für Mobilfunknetze begannen auch, die Vorteile von Ultrabreitbändern im Millimeterbereich zu nutzen. Einige haben bereits damit begonnen, Millimeterwellenkomponenten zu verwenden, um Hochgeschwindigkeitskommunikation in direkter Sichtweite zwischen Basisstationen und Backbone-Netzwerken bereitzustellen, wodurch Glasfaser eingespart wird.

Es werden jedoch noch Experimente durchgeführt, um eine auf der neuen Reichweite basierende zellulare Kommunikation zu schaffen. Unten sehen Sie einen Prototyp des Netzwerks von Samsung. Es enthält ein Array von 64 Antennen in der Größe eines Tablets, eine Phased-Array-Antenne, die das Signal zum gewünschten Punkt leitet. Die analogen Daten digitalisiert, die fein ermöglicht , um die Array - Segmente zu steuern und verwenden räumliches Multiplexen (MIMO). Der Bediener kann wählen, ob Daten gleichzeitig an mehrere Geräte gesendet oder der Strahl auf ein Gerät konzentriert werden soll, wodurch die Download-Geschwindigkeit erhöht wird.



Trotz der offensichtlichen Fortschritte bei der Implementierung von Millimeterwellengeräten stehen viele Experten der Idee skeptisch gegenüber, dass dieser Bereich eine stabile zellulare Kommunikation ermöglichen kann. Die Hauptbeschwerde ist die Unmöglichkeit einer qualitativ hochwertigen Abdeckung, insbesondere bei dichten Entwicklungsbedingungen, da es unmöglich ist, eine konstante direkte Sicht zwischen der Basisstation und allen Endgeräten bereitzustellen. Wenn beispielsweise ein Benutzer mit einem Smartphone hinter einem Baum steht oder einen Eingang betritt, können Millimeterwellen diese Hindernisse wahrscheinlich nicht durchbrechen.


Lesen Sie weiter im nächsten Beitrag. Es wird über eine Reihe von Experimenten zur Überprüfung der Reichweite und Stabilität der Kommunikation im Millimeterbereich, über bestehende Entwicklungen und weitere Perspektiven dieser Technologie gesprochen.

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