Channel Sounding
Auf der Suche nach Frequenzen für den Mobilfunk der Zukunft
5G soll bis 2020 einsatzbereit sein. Um aber den geplanten signifikanten Leistungssprung gegenüber den heutigen Netzen möglich zu machen, bedarf es umfangreicher Voruntersuchungen. Das Finden und Charakterisieren geeigneter Übertragungskanäle spielt dabei eine wichtige Rolle.
Was 5G genau sein wird und durch welche Methoden und Technologien man die ambitionierten Ziele schließlich erreichen will, weiß mit Sicherheit heute noch niemand. Allerdings zeichnen sich zwei wesentliche Merkmale schon deutlich ab: 5G wird ganz neue Frequenzbänder bis in den Millimeterwellenbereich, das heißt jenseits von 30 GHz, für den kommerziellen Mobilfunk erschließen. Der zweite wesentliche Aspekt ist die signifikante Erweiterung der Nutzsignalbandbreite. Diese neuen Kanäle müssen umfassend analysiert werden, um sie möglichst optimal nutzen zu können. Die wichtigste Methode zum Charakterisieren von Mobilfunkkanälen ist das Channel Sounding.
Wie man hineinruft...
... so schallt es nicht unbedingt wieder heraus. Zumindest dann nicht, wenn es um breitbandige Funksignale geht und zwischen Sender und Empfänger eine alles andere als perfekte Übertragungsstrecke liegt. Um unter diesen Umständen dennoch Hochleistungsfunk betreiben zu können, muss man die Eigenschaften der Strecke genau kennen. Deren Charakteristik liefert ein Channel Sounder. Channel Sounding bezeichnet ganz allgemein den Vorgang zur Bestimmung der Impulsantwort eines Übertragungskanals, insbesondere eines Mobilfunkkanals. Der Begriff entstand in Anlehnung an klassische akustische Messverfahren zur Bestimmung von Distanzen, zum Beispiel der Wassertiefe mit einem Echolot (Echo Sounding). Die Kanalimpulsantwort (Channel Impulse Response, CIR) liefert eine komplexe, das heißt Betrag und Phase eines Signals einbeziehende und damit vollständige Information über den Einfluss des betrachteten Kanals auf ein Funksignal und eignet sich somit insbesondere zu seiner Charakterisierung. Den Funkkanal beeinträchtigende Einflüsse sind Signal-Echos durch Reflexionen, Verzerrungen durch Beugungs- und Streueffekte, Abschattungen durch Gebäude und Bäume, aber auch wetterbedingte Auswirkungen wie Regen und Schnee. Das Bild stellt exemplarisch das Betragsquadrat einer zeitvarianten Kanalimpulsantwort h(t, ) dar, das sogenannte Leistungsverzögerungsprofil (Power Delay Profile, PDP). Über die Verzögerungsachse ist eine mögliche Mehrwegeausbreitung des Funksignals erkennbar. Die lokalen Maxima lassen auf starke, zeitverzögerte Echos und damit Reflektoren im Funkkanal schließen. Entlang der Zeitachse t erkennt man im Beispiel eine zeitliche Veränderung der Kanalimpulsantwort. Eine mögliche Ursache für eine solche Zeitvarianz sind zum Beispiel ein sich bewegender Empfänger oder allgemein sich ändernde Kanalbedingungen.
An diesem Beispiel sind auch schon die wesentlichen Anforderungen an einen Channel Sounder erkennbar: Neben einer hohen Empfindlichkeit in den betrachteten Frequenzbereichen und Bandbreiten muss er schnell genug sein, um zeitliche Änderungen des Kanals zu erkennen. Andererseits muss er aber auch jede einzelne Kanalimpulsantwort lange genug messen, um den gesamten Verzögerungsbereich (Delay Spread) zu erfassen, und das mit einer möglichst hohen zeitlichen Auflösung und Messdynamik. Wie so häufig sind das zwei sich widersprechende Anforderungen, die nur mit einem Kompromiss erfüllt werden können. Der bestmögliche Kompromiss wiederum hängt von dem betrachteten Szenario ab. Das können stationäre oder eine stark zeitvariante Umgebung wie beispielsweise ein Schnellzug sein. Offensichtlich muss also ein Channel Sounder ein sehr hohes Maß an Qualität und Flexibilität mitbringen. Die hier vorgestellte Lösung ist deshalb besonders geeignet.
Die Kanalimpulsantwort kann durch Korrelation direkt im Zeitbereich gemessen werden. Dazu bedient man sich der besonderen Autokorrelationseigenschaften bestimmter komprimierter, periodischer Pulssignale. Diese sogenannten Sounding-Signale sind sehr einfach in ihrer Struktur. Zum Beispiel eignen sich dafür einfache binäre Pseudozufallsfolgen (Pseudo Random Binary Sequences, PRBS) maximaler Länge. Diese werden M-Sequenzen genannt. Die Idee des Channel Soundings ist dabei denkbar einfach: Eine periodische M-Sequenz wird über den zu untersuchenden Funkkanal gesendet. Das empfangene Signal wird am „Ende“ des Kanals mit der bekannten M-Sequenz korreliert und liefert die gewünschte Kanalimpulsantwort. Die Sounding-Sequenz kann noch optimiert werden. Möglichkeiten dafür sind zum Beispiel die spektrale Reinheit oder der Crest-Faktor. Deshalb werden neben M-Sequenzen zum Beispiel auch Frank-Zadoff-Chu-Sequenzen oder die aus der Radartechnik bekannten FMCW-Signale, bekannt auch als Chirp-Signale, verwendet.
- Auf der Suche nach Frequenzen für den Mobilfunk der Zukunft
- Warum überhaupt „5G Sounding“?
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