Mobilfunk-Messtechnik
Mit Messdaten zur Produktoptimierung
Derzeit werden die Grundlagen für die nächste Mobilfunkgeneration gelegt. Die kommerzielle Einführung könnte um 2030 erfolgen und Neuerungen wie erweiterte Realitäten und Digital Twins mit sich bringen. Damit einher gehen strenge Anforderungen an Datenübertragung und Latenz. Im Interview mit NI.
connect professional: Worin sehen Sie mit Blick auf den kommenden Mobilfunkstandard 6G die vielversprechendsten Investitionsbereiche und warum?
Thomas Benjamin: Die 6G-Spezifikation wird zwar erst in einigen Jahren ratifiziert, aber wenn wir uns ansehen, wo die wichtigsten Forschungsarbeiten stattfinden, können wir schon jetzt erahnen, welche Technologien (und daraus resultierenden Investitionsbereiche) Teil des 6G-Standards sein könnten. Viele dieser Technologien werden keine Änderungen bei den Tests erfordern, aber es gibt einige, die dies tun könnten:
Erstens SubTHz: Mit dem 5G-Standard wurde die Möglichkeit der Kommunikation in den mmWellen-Bändern eingeführt. Mit dem 6G-Standard wird diese Möglichkeit auf Frequenzen oberhalb von 100 GHz ausgedehnt, die auch als SubTHz-Bänder bezeichnet werden. Diese SubTHZ-Bänder liegen zwischen den Frequenzbändern, die heute für die drahtlose Kommunikation verwendet werden, und den optischen Frequenzen und weisen die Merkmale beider Bereiche auf. Die Frequenzen zwischen 90-300+ GHz versprechen eine wesentlich höhere Bandbreite. Sie bringen jedoch einige Herausforderungen mit sich, darunter die begrenzte Verfügbarkeit von Prüfgeräten. Diese Frequenzen haben die Eigenschaften herkömmlicher HF-Wellen und optischer Wellen und stellen sowohl den Systementwickler als auch den Prüfingenieur vor einzigartige Herausforderungen. Es müssen neue, kostengünstige Prüfgeräte entwickelt werden, um Signale bei diesen Frequenzen genau zu messen.
Zweitens Embedded AI/ML:
| Mit der Integration von KI in Teile des Netzes wird das Testen von 6G sehr viel komplizierter werden. |
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Das Testen von KI unterscheidet sich vom Testen von Komponenten mit bekannten Funktionen, da getestet werden muss, wie sich die KI verhält, wenn sie unter den unendlich variablen Bedingungen der realen Welt eingesetzt wird. Um die Vertrauenswürdigkeit der eingebetteten KI zu überprüfen, gibt es zwei Schlüssel. Zunächst benötigt man eine ausreichende Menge und Qualität von Trainings- und Validierungsdaten. Denn bei KI-basierten Systemen sind Daten der Algorithmus – sie sind das geistige Eigentum und Kronjuwel. Ohne ausreichende Qualität und Quantität von szenariobasierten Trainings- und Validierungsdaten haben Anwender keinen Algorithmus und kein Design. Infolgedessen sind die Daten jetzt viel wichtiger und sensibler. Es werden neue Methoden zur Organisation, Verwaltung, Kennzeichnung und Vorverarbeitung dieser Daten benötigt, um Ergebnisse zu erzielen.
Zweitens wird ein Testsystem benötigt, das die Bedingungen, denen der DUT im Einsatz ausgesetzt ist, vollständig nachbilden kann, damit unter den sicheren Bedingungen des Labors angemessene Tests unter realen Bedingungen durchgeführt werden können. Denn da sich drahtlose Systeme immer mehr auf KI/ML-Algorithmen stützen, müssen diese Systeme auch in einer unendlichen Anzahl von Szenarien funktionieren, denen sie im Einsatz ausgesetzt sein könnten. Anstelle der traditionellen Stimulus-Response-basierten Tests muss also umgedacht werden: Was sind die Szenarien, unter denen getestet werden muss? Und schließlich Integration von Entwurf und Test: Verglichen mit dem traditionellen Modell, bei dem ein physischer Prototyp gebaut, getestet und dann die Entwurfsschleife so lange wiederholt wird, bis ein Produkt vorliegt, das an die Kunden ausgeliefert werden soll, führen Unternehmen den Entwurf und die Tests dieser fortschrittlicheren Systeme zunehmend in einer softwarebasierten virtuellen Welt durch, wodurch Kosten und Geschwindigkeit verbessert werden. Dies beinhaltet Software-in-the-Loop-, Model-in-the-Loop- und Hardware-in-the-Loop-Tests auf der Grundlage realer Szenarien.
connect professional: Wie werden sich 6G- von 5G-Tests unterscheiden?
Benjamin: Der Entwurfsablauf für die Erstellung dieser Arten komplexer Systemtests unterscheidet sich in zweierlei Hinsicht von 5G. Mit dem 5G-Standard wurde zunächst die Möglichkeit der Kommunikation in den mmWellen-Bändern eingeführt. Mit dem 6G-Standard wird diese Möglichkeit auf Frequenzen über 100 GHz ausgedehnt, die auch als SubTHz-Bänder bezeichnet werden. Diese SubTHZ-Bänder liegen zwischen den HF- und mmWave-Bändern, die heute für die drahtlose Kommunikation verwendet werden, und den optischen Frequenzen und weisen die Eigenschaften beider Bänder auf. Um diese Bänder genau messen zu können, müssen neue Testgeräte entwickelt werden.
Zweitens wird das Testen von 6G mit der Einbindung von KI in Teile des Netzwerkes sehr viel komplizierter werden, wie schon in der Antwort zur Frage vorab beschrieben.
connect professional: Ist es nur eine Frage der Zahlen – höhere Frequenzen und so weiter – oder gibt es einen qualitativen Unterschied, den 6G-Tests erfordern werden?
Benjamin: In der 1G-4G-Phase erlebten wir eine rasche Expansion des Mobilfunkmarktes mit der Einführung des Mobiltelefons und dann des Smartphones. Heute haben die meisten Menschen auf der Welt, die sich ein Smartphone leisten können, auch eines – was dazu geführt hat, dass sich der Markt von einem wachstumsstarken zu einem reifen Markt entwickelt hat. Gleichzeitig hat sich das Umsatzwachstum verlangsamt, während der Bedarf an mehr Bandbreite weiter steigt. Diese Veränderungen führen zur:
- Suche nach neuen Anwendungen (über das Smartphone hinaus), die das Umsatzwachstum auf dem Markt vorantreiben können (VR/AR, Metaverse, private Netzwerke, drahtlose Festnetze, drahtlose Netzwerke als Sensoren).
- Suche nach neuen Frequenzen oder nach effizienteren Wegen zur Nutzung der vorhandenen Frequenzen, um die höhere Bandbreite zu erreichen.
- Nutzung von KI zur Optimierung der vorhandenen Netze.
- Suche (speziell für drahtlose Netze) nach Möglichkeiten, die Kosten zu senken und die Markteinführungszeit zu verkürzen, um die Rentabilität ihrer derzeitigen Marktpositionen zu verbessern.
Mit der Einführung der 6G-Funktionen müssen die Unternehmen daher effizienter und gleichzeitig innovativer werden.
| Der zukünftige Erfolg wird davon abhängen, ob Unternehmen in der Lage sind, die Messdaten ihrer Testsysteme in Erkenntnisse umzuwandeln, die ihnen helfen, ihre Produkte und Geschäftsergebnisse zu verbessern. |
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Wir bei NI konzentrieren uns darauf, unsere Kunden dabei zu unterstützen, sowohl heute als auch in der 6G-Zukunft.
connect professional: Nach welchen Daten werden die Entwickler beim Testen suchen? Welche Parameter werden von Interesse sein?
Benjamin: Unsere Vision bei NI ist es, unternehmensweite Produktleistung durch ein autonomes, hochautomatisiertes System von Systemen zu liefern – ein System, das die Organisationen der Zukunft antreibt. Wir werden auch in Zukunft KI/ML in unsere eigenen Produkte integrieren, um unseren Kunden die Möglichkeit zu geben, die Aufgaben zu automatisieren, mit denen Prüfingenieure ihre Prüfsysteme erstellen und warten, und gleichzeitig die Messergebnisse über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg zu analysieren.
Diese Vision basiert auf vier zentralen Säulen:
- intelligente, vernetzte Systeme,
- automatisierte Datenerkenntnisse,
- integriertes Design & Test und
- vernetzte Benutzer-Workflows – von denen wir glauben, dass sie die Zukunft des Testens in allen Branchen bestimmen werden.
Wenn es um 6G geht, werden alle diese Säulen wichtig sein, aber ich möchte die Aufmerksamkeit auf zwei besonders lenken:
Erstens ist Automated Data Insights unsere Sammlung von Datenmanagement-, Analyse- und Aktionstools, die die letzte Meile zum Unternehmenswert abdecken. Über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg, von der Entwicklung über die Validierung bis hin zur Produktion, liefern unsere Tools und unsere Vision den richtigen Menschen oder Maschinen zum richtigen Zeitpunkt die richtigen Erkenntnisse, um wirksame Entscheidungen und Maßnahmen zu treffen. Dies wird eine unglaublich wichtige Fähigkeit für Entwickler beim Testen der Einführung von 6G-Netzen sein.
Zweitens vereint das integrierte Design und Testen zwei kritische Produktentwicklungsfunktionen in einer nahtlosen Aufgabe. Bei komplexen Produkten mit fortschrittlichen Softwarefunktionen, die oft durch ML oder KI gesteuert werden, ist es nicht praktikabel, endlose Prototypen zu bauen, zu testen und zu iterieren.
| In Zukunft wird der Erfolg mehr auf Software und simuliertem Design und Test in einer virtuellen Welt beruhen – einem Metaversum der Produktentwicklung. Um auf meinen früheren Punkt zurückzukommen, nämlich die Fähigkeit, eingebettete KI in 6G-Netzen zu testen – diese Säule wird für Entwickler beim Testen von 6G-Funktionen entscheidend sein. |
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connect professional: Benötigen Analysegeräte eine besondere Empfindlichkeit oder Genauigkeit, um 6G-Tests durchzuführen, und welche neuen Funktionen oder Fähigkeiten werden sie benötigen?
Benjamin: Die Antwort auf diese Frage hängt natürlich davon ab, welche Technologien offiziell in die 6G-Spezifikation aufgenommen werden, aber hier sind einige Bereiche, in denen neue Testinstrumente erforderlich sein könnten: Wenn echte Vollduplex-Funkgeräte oder integrierte Kommunikations- und Erfassungssysteme (ICAS) Teil der Norm werden, könnte dies zu einem Bedarf an Instrumenten führen, die in der Lage sind, RX- und TX-Signale auf derselben Frequenz zu trennen. Wenn die Sub-THz-Bänder eingeführt werden, benötigen die Kunden genaue, rückverfolgbare Prüfgeräte, die Signale bei diesen Frequenzen mit flachem Amplituden- und Phasengang messen können; kosteneffiziente Messgeräte für diese Frequenzen und die erforderliche Messleistung gibt es heute nicht. Reflektierende intelligente Oberflächen (Reflective Intelligent Surfaces, RIS) können den Einsatz neuer Over-the-Air (OTA)-Prüfverfahren erforderlich machen, ebenso wie
connect professional: Können bestehende 5G-Lösungen angepasst oder erweitert werden, um 6G-Tests zu ermöglichen?
Benjamin: Aus Kostengründen werden viele Unternehmen so viel wie möglich von ihrer vorhandenen 5G-Prüfausrüstung wiederverwenden wollen. Daher werden Prüf- und Messgerätehersteller wie NI weiterhin Software-Updates anbieten, die es älteren Prüfgeräten ermöglichen, die neueren Standards zu testen. In bestimmten Fällen ist die Hardware älterer Prüfgeräte jedoch in ihrer Funktion eingeschränkt. In diesen Fällen werden neue Prüfgeräte benötigt, wenn Kunden Messungen durchführen müssen. DAs beinhaltet:
- große RF-Bandbreiten
- höhere RF-Mittenfrequenzen
- höhere Empfindlichkeit oder Dynamikbereich
- Die Fähigkeit eines Geräts, in Echtzeit für szenariobasierte Tests von eingebetteten KI-basierten 6G zu reagieren.
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