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Mobilfunk-Antennenarchitektur

Antennen mit Strahl-Lenkung

26. November 2014, 11:46 Uhr | Victor Fernandez, EMEA Regional Wireless Specialist, Anritsu

Abbildung 1: Eine Antenne mit Strahl-Lenkung ermöglicht die präzise Lenkung von Signalen und Strahlungsnullen nach deren Abstrahlung von einer Basisstation.

Als vor 2014 über die Entwicklung von LTE gesprochen wurde, ging es weltweit prinzipiell um die Variante "Frequency Division LTE" (FD-LTE). Erst 2014 begann die andere Variante, das "Time Division LTE" (TD-LTE), die Aufmerksamkeit der Mobiltelefonbranche zu erregen. Einer der größten Nutzeffekte von TD-LTE ist die Fähigkeit, die Anwendung von Sendeantennen mit Strahllenkung – das heißt stark gerichteten Antennen – zu ermöglichen. Der Beitrag zeigt auf, weshalb Antennen mit Strahl-Lenkung unverzichtbar für die nächste Wachstumsphase im Bereich der Kapazität von Mobilfunknetzen sind.

Antennen mit Strahl-Lenkung nach dem Beamforming-Verfahren bieten Netzbetreibern wichtige Vorteile, da sie eine flexiblere und effizientere Nutzung der Netzinfrastruktur ermöglichen und, unter bestimmten Umständen, eine merklich bessere Qualität der an den Kunden gelieferten Leistung hervorbringen.

Dies bedeutet, dass sowohl die Hersteller als auch die Anwender von Antennen und Basisstationen (BTS) derzeit neue Möglichkeiten zur Konstruktion, Produk-tion, Montage und Anwendung von Antennen mit Strahl-Lenkung erforschen. So zeigt dieser Beitrag Verfahrensweisen auf, die Ingenieure und Techniker für die Konstruktion und den Bau von Prototypen von Antennen mit Strahl-Lenkung nutzen können. Zudem wird die Rolle verdeutlicht, die spezialisierte HF-Messtechnik bei der Evaluierung solcher Prototypen spielen kann.

Vergleich der Mehrantennen-system-Betriebsmodi
Die in modernen Kommunikationsnetzen zum Einsatz kommenden Funk-Zugangstechnologien sind in hohem Maße auf die verschiedensten Mehrantennensys-teme angewiesen, um hohe Datenübertragungsraten zu erreichen beziehungsweise um die Qualität der Übertragung zum Anwender im Umkreis einer Funkzelle zu verbessern. Diese Mehrantennensysteme können Antennen mit Multiple-Input-Multiple-Output- (MIMO), Single-Input-Multiple-Output- (SIMO) oder Multiple-Input-Single-Output-Technologie (MISO) sein. In einer BTS kann ein Mehrantennensystem zur Übertragung von Signalen mit Hilfe einer von zwei entgegenwirkenden und deutlich differenzierten Technologien genutzt werden. Eine der Einsatzmöglichkeiten für Mehrantennen ist die Übertragung eines unterschiedlichen Datenstroms über jede Antenne. Dies ist dann möglich, wenn eine geringe Korrelation zwischen den jeweiligen Übertragungswegen besteht, zum Beispiel durch Fading. Es führt dazu, dass jeder Datenstrom einen unterschiedlichen Weg zum Empfänger zu finden versucht. In diesem Fall erkennt der Empfänger jede Antenne als unabhängige Signalquelle und unterscheidet zwischen den einzelnen Datenströmen. Der Effekt ist eine Steigerung der Daten-Gesamtübertragungsrate. Diese Methode wird als Raummultiplexverfahren (Spatial-Multiplexing) bezeichnet.

Die andere Einsatzmöglichkeit eines Mehrantennensystems besteht dann, wenn alle Übertragungswege eng miteinander korreliert sind und jedes Signal vom Übertragungsmedium auf die gleiche Weise beeinflusst wird – beispielsweise in einer Umgebung, in der eine vernachlässigbare Streuung vorherrscht oder wenn Antennen unweit voneinander angebracht sind. In diesem Fall können die Mehrantennen so betrieben werden, als ob es sich bei ihnen um eine einzige Hochleistungsantenne handeln würde, deren Hauptstrahlrichtung (Hauptkeule) einen bestimmten Bereich überstrahlt. Wird ein Antennen-Array auf diese Art und Weise verwendet, handelt es sich um eine Antenne mit Richtstrahlerzeugung. Der Effekt besteht darin, die verfügbare Bandbreite im Zielbereich zu konzentrieren, wobei Übertragungsqualität beziehungsweise Signal-Interferenz- und Rauschabstand (SINR) verbessert werden. FD-LTE können Mehrantennensysteme für das Spatial-Multiplexing überaus effizient verwenden, da die Mehrfachträger-Wellenformen, die von FD-LTE genutzt werden, zum Beispiel das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (OFDM), perfekt an diese Art von Übertragungssystemarchitektur angepasst werden können. TD-LTE kann Antennen mit Strahl-Lenkung besonders wirksam einsetzen, da Uplink und Downlink zeitlich versetzt gesendet werden und – was wichtiger ist – die übertragenen und empfangenen Signale im gleichen Frequenzbereich angesiedelt sind.

Die Technologie der Antennen mit StrahlLenkung ist somit wichtig für die Entwicklung der heutigen TD-LTE-Technologie, soll jedoch auch wichtiger Bestandteil der 5G-Netzwerkinfrastruktur sein, die Verbesserungen bei LTE mit neuer Funkzugangstechnologie kombiniert. Der Grund dafür ist die Forderung nach Unterstützung der „Netzverdichtung” – also nach Einrichtung kleiner Funkzellen mit Einfachträger-Wellenform zur Versorgung kleiner Gebiete, in denen gleichzeitig viele Mobilfunkteilnehmer auftreten. Dies wird durch Realisierung der so genannten "massive MIMO"-Beamforming-Technologie erreicht.