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5G im Weltraum – Auswirkungen auf die Messtechnik für NTN

14. August 2024, 14:00 Uhr | Rohde & Schwarz

5G non-terrestrial networks (NTN) erweitern das 5G-System um weltraumbasierte Netzknoten. Dies hat Auswirkungen auf die Messtechnik für satellitengestützte Basisstationen und Endgeräte.

Wir stehen vor einem Paradigmenwechsel, den Begriff „Basisstation“ gibt es de facto nicht mehr in NTNs. Netzknoten sind in Satelliten integriert und bewegen sich relativ zum Endgerät. In der langfristigen Evolution (6. Generation Mobilfunk) redet man von Unified Networks, also 3-dimensionale Netzknoten in allen Orbithöhen. In der Standardisierung gibt es diverse Architekturansätze. Zu Beginn wird wohl der sogenannte Transparent Mode Einzug halten, das heißt der Satellit fungiert als eine Art Repeater, das Mobilfunksignal wird in einem terrestrischen Knoten (gNB) erzeugt beziehungweise empfangen und über ein Gateway erfolgt die Kommunikation mit dem Satelliten, der wiederum den Serving Link mit den Endgeräten zur Verfügung stellt. Der zukünftige Regenerative Mode lässt es zu, mehr Intelligenz, Rechenleistung und Komplexität in den Satellitenknoten zu integrieren.

In der Standardisierung sind derzeit zwei Dokumente als Draft verfügbar, die wichtig sind für zukünftige Tests.

Das Dokument TS 38.108 beschreibt Anforderungen an NTN-Empfänger und -Sender während
das Dokument TS 38.181 eine Beschreibung der konkreten Testanforderungen enthält.

Bild 1 soll kurz die Testszenarien für den transparenten Modus skizzieren. Das Testobjekt (DUT) besteht aus den drei funktionalen Blöcken Satellit, Gateway sowie dem Netzknoten (gNB).

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Die Tests der HF-Schnittstelle unterteilen sich grob in Sendertests (TX), Empfänger-Empfindlichkeit (RX) und Empfänger-Performanz (RX performance). Tests am Sender ähneln dem Vorgehen im terrestrischen Fall mit Metriken wie bspw. Sendeleistung (TX power, TX power control), Modulationsqualität (EVM) und spektrale Sendeeigenschaften (ACLR, spurious emissions, SEM). Als Messgerät ist ein Signalanalysator ideal. Je nach Kategorie des Satellitenknoten kann die Verbindung mit dem Messgerät über eine kabelbasierte Verbindung oder Over-the-air (OTA) durchgeführt werden. Die OTA-Tests ermöglichen die Verifikation direktionaler Antennen, sogenanntes Beamforming. Für solche Tests sind Kammern (full anechoic chambers FAC) sowie Positionierungssysteme notwendig.

Empfängertests folgen zwei unterschiedlichen Ansätzen. Für Metriken wie die Empfangsempfindlichkeit wird ein Referenztestsignal mittels Signalgenerator an das DUT gesendet. Als Resultat wird die Blockfehlerrate (BLER) im Empfänger bzw. der Datendurchsatz bestimmt. Die Spezifikationen von 3GPP erfordern es, dass der Throughput bei einem Mindesteingangspegel eine 95% Schwelle erreicht, um den Test zu bestehen. Aufgrund der Disaggregierung der Komponenten liegt der Einspeisepunkt des HF-Signals am Eingang des Satelliten, die BLER wird jedoch erst im Protokollstack des gNB ermittelt. Der zweite Ansatz basiert auf der RX-Performanz, die im Prinzip ähnlich der Empfindlichkeit funktioniert. Bei Performanztests wird jedoch eine Stresssituation für den Empfänger simuliert, bspw. die Applikation eines Fadingprofils auf das Testsignal oder indem interferierende Signale hinzugefügt werden.

Messtechnik für NTN-Endgeräte

Für Endgeräte in der 5G-Satellitenkommunikation gelten prinzipiell die gleichen Anforderungen an Sender und Empfänger, wie sie bereits für Typzulassung und regulatorische Tests von UEs für terrestrische Netze gelten. Bei NTNs ist das Frequenzspektrum sehr relevant, da es verschiedene Konstellationen gibt: NTN-Bänder überlappen mit terrestrischen Bändern, liegen nebeneinander oder verfügen über einen ausreichenden Sicherheitsabstand. 3GPP arbeitet mit dem Draft TS 38101-5 an der Erweiterung der Anforderungen für UEs in der Satellitenkommunikation. Die Anforderungen sind ähnliche Metriken:

Sendeleistung,
Spektrale Bandbreite,
Modulationsqualität,
Empfängerempfindlichkeit
und spektrale Emissionen (SEM, ACLR, spurious emissions).

Um UEs ausreichend zu testen, erfordert es einen Systemsimulator, der Protokolltests ermöglicht. Im Bild 2 ist ein solches Setup skizziert. Das UE als DUT wird entweder über Kabel oder in einer OTA-Kammer mit dem Systemsimulator verbunden. Dieser Systemsimulator führt sowohl HF- als auch Protokolltests durch. Letzteres ist gerade für das Überprüfen von Mobilitätsszenarien wichtig.

Eine Anforderung gerade an NTN-Endgeräte ist die Positionsbestimmung anhand von GNSS-Signalen. Um den Zeitversatz sowie die Dopplerverschiebung im Voraus zu korrigieren, übermittelt die Satellitenstation per Systeminformation die eigenen Bahndaten. Das UE erkennt mittels GNSS seine eigene terrestrische Position. In einem komplexen NTN-Testsystem kann nun ein Signalgenerator das entsprechende GNSS-Signal simulieren. Für Typzulassung und regulatorische Tests sind ähnlich wie bei den Basisstationen auch erweiterte spektrale Messungen wie beispielsweise Spurious emissions und RX-Performanztests notwendig. Hierzu kann nun der 5G-Systemsimulator um weitere Messgeräte wie Signalgenerator und Signalanalysator erweitert werden. Der R&S CMX500 Mobile Radio Tester ermöglicht völlig unabhängige LTE/FR1- und FR2-HF-Signalling- und Messoptionen und unterstützt alle aktuellen und künftigen 3GPP-Bandkombinationen mit einem Datendurchsatz von bis zu 20 Gbps auf IP-Ebene. Er verfolgt die R&S One-Platform-Strategie, bietet Frequenzbandbreiten von insgesamt bis zu 10 GHz und hilft so den Nutzern, für alle aktuellen und zukünftigen Testherausforderungen gerüstet zu sein. Mit seiner intuitive bedienbaren, webbasierten grafischen Benutzeroberfläche R&S CMsquares setzt der One Box Texter den neuen Standard für 5G-Tests.

Fazit

5G NTN bedeutet eine spannende Evolution des Mobilfunks hin zu satellitenbasierter weltweiter Kommunikation. Diese Entwicklung wird über mehrere Evolutionsstufen hinweg erfolgen und die Einsatzmöglichkeiten von 5G wesentlich erweitern. Testmethoden und Verfahren müssen angepasst werden, um die Performanz, das Funktionieren sowie die Interoperabilität von 5G NTN-Systemen zu garantieren. Rohde & Schwarz als weltweit führender Hersteller von elektronischer Messtechnik wird die Entwicklung von 5G auf diesem Weg durch seine Expertise begleiten.