Moderne Signalverarbeitung hilft 5G beim Erreichen der Geschwindigkeitsziele
Die Mobiltelefoninfrastruktur wurde Ende der 1980er-Jahre eingeführt. Seitdem hat sie mehrere Generationen durchlaufen, von denen jede schneller und leistungsfähiger als die vorherige war. Jetzt sind wir bei der fünften Generation bzw. 5G angekommen. Die aktuelle Generation, 4G, funktioniert für Einzelpersonen gut, kann jedoch unter Engpässen leiden, wenn größere Menschengruppen im selben Bereich gleichzeitig ein Netzwerk nutzen. Der neue Standard löst dieses Engpassproblem und kann eine potenziell 1 000-mal höhere Kapazität als 4G bieten. Dennoch ist dies im Wesentlichen lediglich eine theoretische Möglichkeit. Ihre Umsetzung ist von der künftigen Verfügbarkeit bestimmter technischer Verbesserungen abhängig. Im Gegensatz zu anderen Gruppen, die untersuchen, ob sich das 5G-Frequenzband von unter 6 GHz auf mehr als 60 GHz steigern lässt, befasst sich das EU-finanzierte Projekt ADVANTAG5 mit dem Problem der Bandbreite, indem der Richtfunk mit Richtwirkung versehen wird. Unterstützt wurde das Forschungsvorhaben im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen. In der Funktechnik wird ein Spektrum von Radiofrequenzen als Band bezeichnet. Jeder Nutzerin, oder Antenne, wird ein bestimmter Teil zugeordnet. Daher werden etwa einzelne Funksender über eine bestimmte Frequenz definiert, die ihnen zum Senden zugewiesen wurde (die Mittenfrequenz), obwohl sie eigentlich auch geringfügig auf etwas niedrigeren und höheren Frequenzen senden. „Bei den aktuellen Systemen“, so der Projektkoordinator Dr. Marko Kosunen, „kann jeweils nur eine Mittenfrequenz genutzt werden, da sich die Übertragungen ansonsten gegenseitig beeinträchtigen können.“
Strahlbündelung per Signalverarbeitung
Mit dem ADVANTAG5-Konzept lässt sich jede Frequenz doppelt verwenden, indem eine kontrollierte Richtwirkung in die Übertragungs- und Empfangsfunkstrahlen eingeführt wird. Das Beamforming wird über neue Signalverarbeitungsmethoden erreicht, die vom Projektteam entwickelt wurden. Dazu zählen die Verarbeitung digitaler Signale mehrerer Nutzerinnen und Nutzer über den speziellen neuen Siliziumchip des Projekts. Signale, die von der Antenne, in diesem Fall einem Mobilfunkmast, empfangen werden, enthalten Informationen von allen Nutzerinnen und Nutzern aus verschiedenen Richtungen. Dennoch erfolgt eine Filterung, sodass jedes der Signale, die vom Signalverarbeitungselement produziert werden, nur die Information eines bestimmten Nutzenden enthalten.
Neue Antennen fördern die Verarbeitung
Die Steuerung der Strahlrichtung wird durch die neuen Beamforming-Empfänger unterstützt, die eigens vom Team entwickelt wurden. Diese funktionieren durch eine kontrollierte Abtastung der empfangenen Signale und durch die Kombination der Signale, die über verschiedene Antennenwege eingehen. ADVANTAG5 hat außerdem effiziente digitale Senderstrukturen entwickelt, die mehrere von einer einzigen Antenne übertragene Kanäle unterstützen. Das Forschungsteam konnte sowohl die neuen Methoden als auch die neuen Geräte erfolgreich vorführen, unter anderem die Transmitter und Empfänger. Die Ergebnisse können nun von der Industrie angewendet werden, die bereits großes Interesse gezeigt hat. In der Zwischenzeit wird das Team weiter am Design arbeiten. Die im Rahmen des Projekts entwickelten Methoden werden in den Lehrplan der Nachrichtentechnikkurse an der Aalto-Universität in Finnland aufgenommen. „Ich denke, dass unsere Arbeit die Elektronikentwicklung der Zukunft entscheidend verändern wird“, sagt Kosunen. „Sie vereint die Schaltungsentwicklung und Optimierung durch programmatische Mittel, auf lange Sicht mit maschinellem Lernen, auf eine noch nie dagewesene Weise.“ Durch die Arbeit wird die vorgestellte 5G-Infrastruktur mit der versprochenen Geschwindigkeit arbeiten können. Für Nutzerinnen und Nutzer bedeutet das eine deutliche Erhöhung der Datenraten.
Schlüsselbegriffe
ADVANTAG5, Funk, 5G, Antenne, Signalverarbeitung, 4G, Mobiltelefon, Kommunikation, Bandbreite
