mMIMO & Beamforming:

Turbo für leistungsstarke 5G-Netze

Die Nachfrage nach immer höheren Datenraten und geringerer Latenz nimmt mit jeder neuen Mobilfunkgeneration weiter zu. Um die gesetzten Performance-Ziele insbesondere in dicht bebauten Innenstädten und hochgradig mobilen Szenarien zu erreichen, sind zwei Technologien erforderlich: massive Multiple-Input Multiple-Output (mMIMO) und Beamforming.

5G-mMIMO-Systeme nutzen große Antennen-Arrays mit meist 16 bis 128 Sende- und Empfangsantennen. Damit ist Spatial Multiplexing (räumliches Multiplexing) möglich, also das gleichzeitige Senden mehrerer Datenstreams auf derselben Frequenz, sodass ohne Anhebung von Bandbreite oder Leistung die spektrale Effizienz gesteigert wird und mehr Nutzer versorgt werden können. Das mithilfe von Phased-Array-Antennen umgesetzte Beamforming erlaubt das gezielte Ausrichten der Sendeenergie auf die jeweiligen Nutzer, um Interferenzen einzudämmen und den Signal-Rauschabstand zu verbessern.

Die Kombination aus 5G mMIMO und Beamforming ermöglicht eine durchsatzstarke und latenzarme Kommunikation und sorgt für die nötige Skalierbarkeit. Netzwerkbetreiber und Entwickler können somit dank präziser Antennen-Ansteuerung auf innovativere Weise drahtlose Applikationen für vergrößerte Frequenzbereiche realisieren.

Für die Nutzung von mMIMO und Beamforming müssen die Funk-Transceiver Bits in Hochfrequenzsignale umwandeln und umgekehrt. Da beide Techniken zudem nach hoher räumlicher und zeitlicher Genauigkeit verlangen, erfordert dieser Umwandlungsprozess präzise Timestamps und eine exakte zeitliche Synchronisation über mehrere Antennen hinweg.

Funksysteme mit 5G-fähigen HF-Transceivern ermöglichen den Betrieb im 4G- und 5G-Modus. Gemäß den Spezifikationen des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) für 5G, bringt die 5G-Technik in den folgenden Bereichen Verbesserungen gegenüber 4G:

• Enhanced Mobile Broadband (eMBB)
• Critical Communication (CC) und Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) für industrielle Anwendungen
• Massive Internet of Things (mIoT)

Flexibler Netzwerkbetrieb im Interesse der Anpassungsfähigkeit und für Netzwerk-Optimierungen bei gleichzeitiger Unterstützung vielfältiger Anwendungen und Endanwender-Anforderungen durch Network Slicing, cloud-native Infrastrukturen und softwaredefinierte Netzwerke.

Was ist 5G mMIMO?

5G MIMO bezeichnet die in 5G-Netzen verwendete drahtlose Kommunikationstechnologie. Während eine typische MIMO-Einheit zwischen 16 und 32 Sende- und Empfangsantennen besitzt, sind bei der mMIMO-Technik 64, 128 oder noch mehr Antennen in einer Einheit verbunden, um mehr Nutzer mit höheren Datenraten versorgen zu können.

Durch Spatial Multiplexing in mMIMO-basierten 5G-Netzen lässt sich Kanalkapazität erheblich steigern, ohne die Bandbreite oder die Sendeleistung anheben zu müssen. Angesichts der Umstellung der Industrie auf immer höhere 5G-Frequenzen (z. B. Millimeterwellen von 24 GHz bis 40 GHz) gewinnt das Beamforming weiter an Bedeutung, denn dank der kleineren Antennenabmessungen lässt sich eine große Zahl von Antennen auf kleinem Raum konzentrieren. Die mMIMO-Technik erweist sich hier als besonders vorteilhaft, sodass 5G mMIMO zu einer essenziellen Technologie wird, um höhere Datenraten und extrem geringe Latenzen zu erreichen und damit die massiven Konnektivitätsziele des 3GPP für 5G-Netze zu verwirklichen.

5G mMIMO im Verbund mit Beamforming

Das Beamforming gehört zu den vorrangigen Technologien, die für 5G-Mobilfunknetze benötigt werden. 5G-Ultrawideband-Netze nutzen Frequenzen unter 8 GHz sowie den Millimeterwellen-Bereich. Dieses Spektrum ist durch eine höhere Signalabschwächung und Interferenzen durch Objekte gekennzeichnet, die sich entlang des Übertragungswegs befinden. Außerdem können Millimeterwellen Wände nicht so leicht durchdringen wie die Frequenzen von 4G-Netzen. Für 5G ist deshalb das Beamforming nötig, um die Leistung auf einen bestimmten Bereich zu fokussieren und hohe Datenraten zu erzielen – besonders in Innenstädten (Bild 1).

Bild 1. In dicht bebauten Innenstädten trägt das Beamforming dazu bei, dass mehr Menschen über ein 5G-Netzwerk verbunden werden können. (Quelle Texas Instruments)

Die Funktionsweise der mMIMO-Technik beruht darauf, dass die einzelnen Elemente eines Antennen-Arrays mit genau definierten Phasendifferenzen angesteuert werden. Damit erreicht man, dass sich die Signale der Antennenelemente in einer bestimmten Richtung addieren, während sie sich in den übrigen Richtungen teilweise aufheben (Bild 2).

Bild 2. Die Funktionsweise des Beamformings beruht auf dem gezielten Anpassen der Phasenlage zwischen zeitlich synchronisierten Antennen – hier am Beispiel eines achtkanaligen Transceivers dargestellt. (Quelle Texas Instruments) 

Damit dies wirklich funktioniert, muss die Phasenlage der Signale für die verschiedenen Antennen äußerst präzise eingestellt werden. Das Synchronisieren der Ausgangsphasen mehrerer Sendungen einer mMIMO-Einheit wird jedoch zu einer höchst anspruchsvollen Aufgabe, wenn die Funkeinheit mehrere analoge Front-Ends (AFEs) enthält. Ein mMIMO-System mit 128 Antennen etwa kann aus 8- bis 16-kanaligen AFEs zusammengesetzt sein.

Aktuelle Herausforderungen bei mMIMO-Systemen

In einem typischen 5G mMIMO-Transceiver sind mehrere HF-Transceiver auf einer Leiterplatte untergebracht. Bei einer 64-kanaligen Konfiguration etwa kann das Board mit acht 8-kanaligen Transceivern oder vier 16-kanaligen Transceivern bestückt sein. Voraussetzung für ein zuverlässiges Beamforming ist, dass sämtliche Sende- und Empfangswege über den gesamten System-Lebenszyklus phasensynchron bleiben – von der ersten Inbetriebnahme über die nachfolgenden JESD204B- und JESD204C-Link-Reinitialisierungen zwischen dem AFE und ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) oder FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) bis hin zu Power-On-Resets. Vor dieser grundlegenden Herausforderung stehen sämtliche Funksystem-Designer, denn es ist genau diese deterministische gegenseitige Phasenbeziehung, die ein vorhersagbares Formen und Lenken der Strahlen durch das Antennen-Array sicherstellt.

Die eingebaute Phasenschieber-Funktionalität des im Transceiver enthaltenen NCO (Numerically Controlled Oscillator) kann verbleibende statische Phasen-Offsets entlang des Antennen-Arrays kompensieren. Die Notwendigkeit zur zeitlichen Synchronisation aller HF-Transceiver der Funkeinheit bleibt davon aber unberührt.

Abhilfe dank Single-Shot-Sysref-Modus

Die meisten Systeme arbeiten im Regelfall im so genannten Continuous-Sysref-Modus. Sysref (System Reference Clock) ist die Bezeichnung eines periodischen niederfrequenten Signals. Bestimmte Produkte bieten jedoch die Möglichkeit der Synchronisation mehrerer Bauelemente mithilfe des Single-Shot-Sysref-Modus. In diesem Fall ist das Sysref-Signal ein einzelner Impuls, der gleichzeitig an sämtliche AFEs des Boards geht. Wenn alle AFEs das Sysref-Signal zum selben Zeitpunkt (bezogen auf den Referenztakt) erhalten, werden sie von selbst phasensynchron.

Zu den Herausforderungen bei der Umsetzung dieser Methode gehört das differenzielle Routing des Sysref-Signals und des Referenztakts an mehrere Bauelemente auf der Leiterplatte, denn die Signalübertragung muss hier mit einer Genauigkeit im Picosekunden-Bereich abgestimmt werden.

Die Alternative: Übertragung eines Timestamp-Signals per GPIO

Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung der GPIO-Schnittstelle (General-Purpose Input/Output), um das Sysref-Signal, das hierbei im Continuous-Sysref-Modus bleiben kann, zu takten. Sämtliche AFEs reagieren dann auf die erste steigende Flanke des Referenztakts, nachdem sie ein GPIO-basiertes Latch-Enable-Signal erhalten haben. Alle nachfolgenden Impulse werden dagegen ignoriert.

Da für dieses Verfahren lediglich ein CMOS-GPIO-Signal an sämtliche AFEs geleitet werden muss, ist es einfacher zu implementieren als die Single-Shot-Sysref-Methode. Bild 3 gibt das besondere Sequencing wieder, das für dieses Verfahren erforderlich ist.

Bild 3. Timing-Diagramm zur GPIO-basierten Freigabe des Sysref-Signals (Quelle Texas Instruments)

Wahl des NCO

Die einfachste Möglichkeit zum Erzielen der Phasensynchronisation ist die Verwendung von Sender- und Empfänger-NCOs, die ganzzahlige Vielfache der Sysref-Frequenz erzeugen. Diese Methode eignet sich auch für den Continuous-Sysref-Modus, denn es wird kein zusätzlicher Mechanismus benötigt, um die NCOs der Sende- und Empfangsrichtung über die verschiedenen AFEs hinweg zu synchronisieren.

Am besten eignet sich diese Methode in Fällen, in denen die Restriktionen, denen die NCO-Frequenz unterliegt, für die finale Anwendung hinnehmbar sind, denn hier kann die Physensynchronisation ohne zusätzliche Hardware erreicht werden. Für den Fall eines erneuten Verbindungsaufbaus oder nach einem Abschalten der Versorgungsspannung muss lediglich eine bestimmte Softwaresequenz durchlaufen werden. In dieser Betriebsart gäbe es nicht einmal dann ein Problem, wenn alle AFEs auf verschiedene Sysref-Flanken reagieren würden.

Fazit

Die Einbindung von mMIMO- und Beamforming-Technologien ist unerlässlich, um das Potenzial von 5G-Netzwerken vollständig ausschöpfen zu können, denn es sind nie dagewesene Datenraten und extrem geringe Latenzen möglich. Durch die Verwendung großer Antennen-Arrays sowie durch präzises räumliches Filtern überwinden diese Technologien die Herausforderungen bei der Übertragung hochfrequenter Signale, sodass bei unterschiedlichsten Bedingungen eine zuverlässige und durchsatzstarke Kommunikation gewährleistet ist. Wie in den 3GPP-Spezifikationen skizziert, lassen sich die verbesserten Fähigkeiten der 5G-Technik in eMBB-, CC-, URLLC- und mIOT-Applikationen und flexiblen Netzwerk-Betriebsarten großenteils auf die Synergieeffekte von mMIMO und Beamforming zurückführen.

Nicht zuletzt durch den Einsatz leistungsfähiger Transceiverbausteine sind Netzwerkbetreiber in der Lage, eine Vielzahl von Wireless-Applikationen zu unterstützen – von Augmented und Virtual Reality über IIoT bis hin zu autonomen Systemen.