Konzept hinter Multi-Chip-Modulen
Technik für 5G-Massive-MIMO
Die zahlreichen Standards für 5G bieten viele Möglichkeiten, Datenübertragungsraten entscheidend zu verbessern. Zu den Techniken, die zur Unterstützung von 5G im Einsatz sind, gehören Small Cells, Millimeter Wave (mmWave), Massive Multiple Input/Multiple Output (Massive MIMO) und Makrozellen-Antennen. Die geeignete Technik hängt von der Gerätedichte in einem Gebiet ab. In städtischen oder Stadtrandbereichen kommt man beispielsweise nicht umhin, eine Mischung aus Small-Cell-, mmWave - und Mas-sive-MIMO-Anwendungen einzusetzen, um die große Anzahl von Verbindungen effizient zu unterstützen. In ländlichen, weniger dicht besiedelten Gebieten liefert bereits eine Makrozelle die erforderliche Kapazität, um die gewünschten Verbindungen zu unterstützen.
Eine der wichtigsten Techniken, die für die Unterstützung von 5G erforderlich ist, ist das Mehrantennenverfahren, auch Massive MIMO (Massive Multiple Input/Multiple Output) genannt. Massive-MIMO-Antennen unterstützen eine Vielzahl von fortschrittlichen Eigenschaften im Bereich der Antennentechnik. So lassen sich brauchbare Datensignale an der Basisstation leichter erkennen. Außerdem erhöhen die Antennen die Signalrate, die der HF-Kanal bei einer Vielzahl von Interferenzbedingungen verarbeiten kann.
Massive-MIMO in der Praxis
Eine der leistungssteigernden Techniken, die bei Massive-MIMO-Antennen zum Einsatz kommen, ist das Spatial Multiplexing. Dabei sind mehrere Antennen an verschiedenen Punkten der Basisstation oder des Arrays angebracht. Jede Antenne sendet eine modifizierte Version des Signals aus, das für die aktiven Nutzer in Reichweite bestimmt ist. Die Signale erreichen die Empfangsantenne mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen und Dämpfungsgraden. Durch die Fähigkeit, verschiedene Signale zu empfangen, besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass das Mobilgerät ein brauchbares Signal erkennt. Darüber hinaus bieten Signalverarbeitungstechniken die Möglichkeit, Informationen aus allen erkannten Quellen zu extrahieren, um das Signal-Rausch-Verhältnis insgesamt zu verbessern.
Mit der höheren Anzahl von Antennen in Massive-MIMO-Systemen kommt das Konzept des Beamforming zur Anwendung. Diese Technik ermöglicht es, eine konstruktive Interferenz zwischen eng beieinanderliegenden Antennen zu nutzen und das Signal an einen Punkt zu leiten, an dem mobile Nutzer am ehesten davon profitieren. Das Signal kann dreidimensional, also sowohl horizontal als auch vertikal, auf die jeweiligen Nutzer ausgerichtet sein und ist in dicht bebauten Stadtgebieten mit Hochhäusern sehr wirkungsvoll. Darüber hinaus ermöglicht die fortschrittliche Signalverarbeitung eine individuelle Einstellung der Strahlen. Damit lässt sich die maximale Datenrate unter den aktuellen Kanalbedingungen gewährleisten, auch wenn sich diese Bedingungen schnell ändern.
Die Umstellung auf Massive-MIMO-Übertragung führt zu einer stark veränderten Auslegung der Basisstation. In herkömmlichen Makrozellen-Architekturen befand sich der HF-Steuerschaltkreis am Fuße des Turms. Bei dieser Architektur hat man die Signale mit langen, ineffizienten Koaxialkabeln an das Antennen-Array oben auf der Basisstation weitergeleitet. Bei der Massive-MIMO-Übertragung kommt die RRH-Architektur (Remote Radio Head) zum Einsatz. Bei dieser Architektur hat man die HF-Komponenten in die Nähe der Antenne oben auf dem Turm verlegt. Für die Weiterleitung der Basisbandsignale vom RRH auf dem Turm zur Verarbeitungselektronik sind nun Glasfaserkabel im Einsatz. Darüber hinaus stellen diese Glasfaserkabel eine Verbesserung gegenüber den Koaxialkabeln dar, die in herkömmlichen Makrozellen-Architekturen vorkommen, da der Wirkungsgrad durch geringere Leistungsverluste der Glasfaserkabel höher ist.
Die Integration der HF-Verstärkerschaltung direkt in die Antenneneinheit hat sowohl den Wirkungsgrad als auch die Installationsverfahren verbessert, stellt aber auch immer höhere Anforderungen an die Elektronik. Leistungsverstärker und Steuerschaltkreis müssen sowohl kompakt als auch energieeffizient sein und gleichzeitig den Anforderungen an die Reaktionsfähigkeit genügen, um den Einsatz fortschrittlicher Signalverarbeitungssysteme zu ermöglichen. Ein wichtiger Aspekt ist die Unterstützung eines hohen PAPR-Verhältnisses (Peak-to-Average Power Ratio) und die Kombination mehrerer Netzbetreiber. Dies wiederum erfordert eine hohe Verstärkereffizienz über eine große Bandbreite und mit Leistungsstufen, die deutlich von der Sättigung entfernt sind.
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