Die neue NIST-Methode könnte die Kapazität des 5G-Funknetzes erhöhen und die Kosten senken.
5G-Systeme vermeiden die Überlastung herkömmlicher Funkkanäle durch die Nutzung höherer Millimeterwellen-Frequenzbänder. Übertragungen in diesen Frequenzen verlieren viel Energie auf dem Weg, was das empfangene Signal schwächt. Eine Lösung sind „intelligente“ Antennen, die ungewöhnlich schmale Strahlenbündel – den Bereich im Raum, in dem Signale gesendet oder empfangen werden – erzeugen und diese schnell in verschiedene Richtungen lenken können.
Die Antennenstrahlbreite beeinflusst Design und Leistung drahtloser Systeme. Eine neue, auf NIST-Messungen basierende Methode ermöglicht Systemdesignern und Ingenieuren die Ermittlung der optimalen Antennenstrahlbreite für reale Umgebungen.
„Unsere neue Methode könnte die Kosten senken, indem sie die Erfolgswahrscheinlichkeit bei der anfänglichen Netzwerkplanung erhöht und einen Großteil des derzeit notwendigen Ausprobierens überflüssig macht“, erklärt NIST-Ingenieurin Kate Remley. „Die Methode würde zudem den Einsatz neuer Basisstationen fördern, die gleichzeitig oder in schneller Folge an mehrere Nutzer senden, ohne dass sich die Antennenstrahlen gegenseitig stören. Dies wiederum würde die Netzwerkkapazität erhöhen und die Kosten bei gleichzeitig höherer Zuverlässigkeit senken.“
Dies ist die erste detaillierte, messbasierte Studie, die untersucht, wie Antennenstrahlbreite und -ausrichtung mit der Umgebung interagieren und die Millimeterwellen-Signalübertragung beeinflussen. Bei dem Verfahren werden NIST-Messungen, die einen weiten Bereich von Antennenstrahlwinkeln abdecken, in ein omnidirektionales Antennenmuster umgewandelt, das alle Winkel gleichmäßig abdeckt. Dieses omnidirektionale Muster kann dann in immer schmalere Strahlbreiten segmentiert werden. Nutzer können so bewerten und modellieren, wie sich die Antennenstrahlcharakteristika auf bestimmten Arten von Funkkanälen verhalten.
Ein Ingenieur könnte diese Methode nutzen, um die für eine bestimmte Anwendung optimale Antenne auszuwählen. Beispielsweise könnte er eine so schmale Strahlbreite wählen, dass Reflexionen von bestimmten Oberflächen vermieden werden oder mehrere Antennen in einer Umgebung störungsfrei koexistieren können.
Zur Entwicklung der neuen Methode sammelte das NIST-Team mithilfe eines Spezialroboters, der mit einer eigens entwickelten Kanalsonde und weiterer Ausrüstung ausgestattet war, experimentelle Daten in einem Flur und der Lobby eines NIST-Forschungsgebäudes. Die Kanalsonde erfasst Daten zu Reflexionen, Beugungen und Streuung des Signals zwischen Sender und Empfänger. Viele dieser Messungen können genutzt werden, um eine statistische Darstellung des Funkkanals zu erstellen und so ein zuverlässiges Systemdesign und die Standardisierung zu unterstützen.
Die Ergebnisse der NIST-Studie bestätigen, dass schmale Strahlen Signalstörungen und Latenz deutlich reduzieren können und dass eine optimierte Strahlausrichtung den Leistungsverlust während der Übertragung verringert. Beispielsweise konnte die Zeitspanne, in der Signalreflexionen eintreffen (eine Kennzahl namens RMS-Laufzeitverzögerung), drastisch von 15 Nanosekunden (ns) auf etwa 1,4 ns reduziert werden, als die Antennenstrahlbreite von omnidirektional (360 Grad) auf eine schmale 3-Grad-Strahlbreite, einen sogenannten Bleistiftstrahl, verringert wurde.
Zukünftige Forschungsarbeiten werden die Skalierung der Methode auf verschiedene Umgebungen und die Analyse weiterer Eigenschaften des Funkkanals umfassen.
