Next G: 5G-and-Beyond-Technologie
Eine der NASCTN-Testkammern
Der NIST-Forscher bereitet sich darauf vor, Tests in einer der
schalltoten Kammern von NIST durchzuführen, die speziell für genaue
Messungen von Hochfrequenzwellen entwickelt wurden, die in der
drahtlosen Kommunikation verwendet werden.
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"Fünfte Generation" oder "5G" bezieht sich auf die neuesten drahtlosen
Kommunikationssysteme, die schneller sind und mehr Daten als 4G- oder
LTE-Systeme übertragen, was mehr Verbindungen für Geräte wie
Mobiltelefone und eine breitere Palette von drahtlosen
Technologieanwendungen ermöglicht. Da sich diese Systeme und
Technologien rasant weiterentwickeln, bezeichnen Wissenschaftler und
Ingenieure die zukünftige drahtlose Hochgeschwindigkeitskommunikation
oft einfach als "Next-Generation" oder "NextG".
Als Messinstitut des Landes trägt das National Institute of Standards
and Technology (NIST) dazu bei, die Technologien und Methoden zu
entwickeln, mit denen die Industrie 5G- und darüber hinaus Systeme
aufbauen und bewerten kann.
Was ist 5G?
Mobilfunknetze durchlaufen im Laufe der Zeit Entwicklungen. Industrie-,
Marketing- und Kommunikationsingenieure fassen diese Generationen
aufgrund ihrer Fähigkeiten und Eigenschaften zusammen. Zum Beispiel
erweiterte 3G Sprachanrufe aus der vorherigen Generation und begann,
Datenkapazität einzubeziehen. Die vierte Generation oder 4G erlangte die
Möglichkeit, Fotos und Videos zu senden, sogar Videos zu streamen, und
erhöhte die Kapazität für Daten.
Systeme der fünften Generation nehmen eine höhere Datenmenge bei höheren
Geschwindigkeiten auf, was mehr Video-Streaming und neue datenintensive
Tools wie Virtual Reality oder Augmented Reality ermöglicht. Die
Entwicklung dieser Technologien wird nicht nur zukünftige Smartphones
und Radios für die öffentliche Sicherheit unterstützen, sondern auch
tragbare Geräte, das Internet der Dinge, das Smart Grid, Smart Homes,
Automobiltechnologien der nächsten Generation und intelligente
Fertigung.
Wie bekommen wir 5G?
Drahtlose Kommunikationssysteme senden Daten und Informationen durch
unsichtbare Funkwellen. Das Spektrum dieser Funkfrequenzen wird von
allen Kommunikationsgeräten geteilt, von Fernsehen und Radio bis hin zu
Navigation und Mobiltelefonen.
Eine Frequenz wird daran gemessen, wie nahe die Spitzen der Radiowellen
zueinander liegen. Radiowellenspitzen in niederfrequenten Bereichen (300
Kilohertz bis 3 Megahertz) liegen Hunderte bis Tausende von Metern
voneinander entfernt. Diese Reichweiten können große Entfernungen
zurücklegen und werden von vielen Funknavigationsgeräten, AM-Funkgeräten
und sogar einigen mobilen Geräten verwendet. Moderne Mobiltelefone
verwenden Frequenzen im Bereich von 800 Megahertz (MHz), wobei die
Spitzen weniger als 40 Zentimeter voneinander entfernt sind.
Anmerkung:
Wellenlänge ( λ ) = Lichtgeschwindigkeit ( c 300.000 Km/sek. ) /
Frequenz ( Hz )
In jüngster Zeit arbeiten drahtlose Kommunikationsingenieure an
Millimeterwellen- (Gigahertz oder GHz) und Terahertz- (THz) Frequenzen.
Die Spitzen zwischen den Wellen in diesen Bereichen sind Millimeter
voneinander entfernt oder näher. Höhere Frequenzen haben höhere
Bandbreiten, so dass das Gerät mehr Daten senden und empfangen kann.
Während 5G-Technologien auch niedrigere Frequenzen verwenden werden,
bedeutet der Zugriff auf diese höheren Frequenzbereiche, dass 5G höhere
Geschwindigkeiten und Datentragfähigkeit bieten kann als die vorherige
Gerätegeneration.
Anmerkung:
Je höher die Frequenz, um so geringer ist die Reichweite. Umso größer
ist auch die Dämpfung durch Beton, Stein uvam.
Die ersten 5G-Standards wurden Ende 2017 ratifiziert und definieren
5G-Technologien als Verwendung von Frequenzbändern bis zu 52,6 GHz. Um
zuverlässiges 5G und darüber hinaus zu erreichen, geht es um ein
gesamtes Kommunikationsökosystem, von der Hardware in drahtlosen Geräten
bis hin zu Breitbandnetzwerken, Wi-Fi und wie wir das
Funkfrequenzspektrum selbst teilen.
Was macht NIST für 5G und NextG?
Anstatt die drahtlose Kommunikation weiterhin in bestimmte Generationen
zu unterteilen, haben Forscher begonnen, technologische Fortschritte
jenseits von 5G einfach als Next-Generation oder NextG zu bezeichnen.
NextG ist mit technischen Herausforderungen konfrontiert, nicht nur bei
der Ausrüstung, sondern auch beim Zugriff auf und bei der Nutzung des
zunehmend überfüllten Hochfrequenzspektrums. Bei so vielen möglichen 5G-
und NextG-Systemen benötigt die Kommunikationsbranche genaue Messungen
mehrerer Elemente innerhalb des drahtlosen Ökosystems:
Signalisierung und Gesamtleistung von Transistoren, die bei
Millimeterwellenlängen arbeiten;
Drahtlose Signalausbreitung;
Antennenstrahlbildung, Strahllenkung und Over-the-Air-Leistung; und
Neue Methoden und Tests zur Bewertung der Geräteleistung und Minimierung
von Interferenzen.
NIST spielt eine zentrale Rolle dabei, NextG zu einer zuverlässigen und
allgegenwärtigen Technologie zu machen, indem es alle Teile des
drahtlosen Ökosystems streng misst und testet und diese Messungen nutzt,
um die Kommunikationsindustrie bei der Entwicklung von Standards für
diese neuen Netzwerke und Geräte zu unterstützen.
NIST betreibt kritische, hochmoderne Testumgebungen und Infrastrukturen
für 5G, darunter das National Broadband Interoperability Test Bed, das
Antenna Communication and Metrology Laboratory und das neue 5G
Coexistence Test Bed, das Zugang zu einer End-to-End-5G-Testumgebung für
Bundesbehörden, Hochschulen und Industrie außerhalb einer proprietären
Unternehmensumgebung bietet.
Hier sind einige der Möglichkeiten, wie NIST an diesen Teilen des 5G-
und NextG-Ökosystems arbeitet.
Antennenmessungen
Zimmer mit stacheliger weißer Isolierung mit großen blauen Roboterarmen
links und rechts. Kleine Hornantenne ist an der Spitze des linken
Roboterarms befestigt.
Das neue Large Antenna Positioning System (LAPS) von NIST verwendet zwei
Roboterarme, um Antennen für Anwendungen wie fortschrittliche
Kommunikationssysteme zu messen und zu testen.
Kredit: Burrus/NIST
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Der Zugriff auf höhere Frequenzbereiche beginnt und endet mit Antennen
und Empfängern. Wissenschaftler und Ingenieure müssen wissen, wie
Signale zwischen Antennen und Empfängern übertragen werden, wenn sie 5G-
und darüber hinaus kompatible Geräte entwickeln. Da wir höhere
Frequenzen erreicht haben, erfahren Sender, Empfänger und die
Instrumente, mit denen sie untersucht werden, große Signalverzerrungen
bei Millimeterwellenfrequenzen, was ihre Messung erschwert.
NIST bietet Messdienstleistungen an, die helfen, diese Verzerrungen zu
korrigieren und diese Hochgeschwindigkeits-Signalmessungen mit
grundlegenden physikalischen Größen zu verknüpfen. Zu unseren
Innovationen gehört das weltweit erste Roboterarm-Antennenprüfsystem,
ein Antennentestbereich, der speziell für 5G-Messungen entwickelt wurde.
Das Large Antenna Positioning System (LAPS) verwendet zwei Roboterarme,
um Antennen in einer schalltoten Kammer zu messen und zu testen, wodurch
verhindert wird, dass die Signale im Raum herumspringen.
Roboter fügt der NIST-Antenne eine neue Wendung hinzu
NIST ist seit Jahrzehnten Vorreiter bei Antennenmessmethoden, aber ein
Roboter könnte die ultimative Innovation sein, die Messungen auf höhere
Frequenzen ausdehnt und gleichzeitig Antennen schneller und einfacher
charakterisiert als frühere NIST-Einrichtungen.
Kanalsondierung und -modellierung
Forscher für drahtlose Kommunikation benötigen auch präzise Messungen,
um zu erfahren, wie sich hochfrequente Signale durch einen bestimmten
Raum bewegen. Wie verändert sich das Signal auf seiner Reise? Wie prallt
es von Wänden, Bäumen, Felsen oder sogar Menschen ab, die durch den Raum
gehen? Das sind alles Fragen, die beantwortet werden müssen, um den
Kanal zu charakterisieren.
NIST verwendet kundenspezifische, hochmoderne Kanalsonde, um diese
Fragen zu beantworten. Die Sender und Empfänger wurden auf Robotern
platziert und durch Räume bewegt, um zu untersuchen, wie sich das Signal
ändert und ausbreitet. Diese Studien bewegen sich außerhalb des Labors
und untersuchen die Signalausbreitung in Innen- und Außenbereichen,
einschließlich der Frage, wie Signale von Menschen im Raum abprallen.
60-GHz-Switched-Array-Kanal-Sounder
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NIST-Forscher verwenden diese Werkzeuge, um Kanalmodelle zu erstellen,
auf die sich die kommerzielle Industrie bei der Entwicklung neuer
Produkte verlässt.
Signalmodelle
Es gibt viele Unsicherheiten, die Forscher berücksichtigen müssen, um
diese hochfrequenten Signale zu verstehen. Präzise Auswertungen
komplexer Hochgeschwindigkeitssignale und -systeme erfordern den Einsatz
neuer Techniken zur Quantifizierung von Messunsicherheiten.
Um diesen Bedarf zu decken, entwickelten NIST-Mitarbeiter ein
Software-Tool, das NIST Microwave Uncertainty Framework, mit dem
Benutzer Unsicherheitsmodelle von Instrumenten und Systemen erstellen
und Simulationen verwenden können, um die Unsicherheit abzuschätzen.
Dies stellt eine Verbindung zwischen grundlegenden physikalischen Größen
(wie dem Zähler, der Sekunde und dem Volt) und
Kommunikationssystemmetriken wie der Bitfehlerrate her.
Gemeinsame Nutzung von Frequenzen und Messtechnik
Da immer mehr Geräte drahtlose Konnektivität benötigen, ist das
Funkfrequenzspektrum eine immer knapper werdende Ressource. NIST
arbeitet an der Messung dieser Frequenzen und arbeitet mit anderen
Agenturen zusammen, um die gemeinsame Nutzung des Spektrums zu
verwalten.
Ausbreitungskanalmessungen und Hardwareverifikation
NIST-Wissenschaftler mit Hochfrequenz-Switched-Array-Antennensystem zur
systematischen Untersuchung des Verhaltens von 5G-Signalen in
verschiedenen physikalischen Umgebungen.
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Die NIST Shared Spectrum Metrology Group arbeitet an der Entwicklung von
Messungen für drahtlose Systeme, einschließlich der Auswirkungen
drahtloser Systeme auf das Hochfrequenzspektrum und die Umgebung. Diese
Messungen tragen auch dazu bei, die Robustheit und Leistung drahtloser
Systeme zu verbessern, insbesondere an anspruchsvollen Standorten wie
medizinischen Umgebungen oder Fertigungsumgebungen. Im Rahmen dieser
Arbeit betreibt die Gruppe das National Broadband Interoperability Test
Bed (NBIT), das eine Reihe von drahtlosen Netzwerken wie Radar, LTE und
Wi-Fi testen und untersuchen kann.
Diese Herausforderungen können nicht von einer Agentur allein bewältigt
werden. NIST leitet das National Advanced Spectrum and Communications
Test Network (NASCTN), das mehrere Bundesbehörden, darunter die DOD,
NASA, NOAA, NSF und NTIA, sowie akademische und kommerzielle
Testeinrichtungen zusammenbringt. Die NASCTN-Mitglieder arbeiten
zusammen, um robuste Testprozesse und validierte Messdaten
bereitzustellen, die für die Entwicklung, Bewertung und den Einsatz von
Spektrum-Sharing-Technologien erforderlich sind.
Weltweit NextG
NextG ist nicht nur eine Herausforderung für die Vereinigten Staaten,
sondern für die ganze Welt. Um alle Teilnehmer zusammenzubringen und die
nützlichsten Ergebnisse zu erzielen, hat NIST die NextG Channel Model
Alliance ins Leben gerufen, um die Entwicklung und Verwendung genauer
Messungen und Modelle zu beschleunigen.
Bis heute hat die Allianz mehr als 200 Teilnehmer aus Wissenschaft,
Industrie und anderen Regierungsorganisationen aus der ganzen Welt
zusammengebracht. NIST hostet das Daten-Repository der Allianz, das
allen Mitgliedern Methodik, Best Practices und Testergebnisse von
Channel-Modellen zur Verfügung stellt. Der Output der NIST-Forschung und
die der Allianz fließen in die Entwicklung von Standards,
Spezifikationen und Best Practices ein, von denen die gesamte Branche
profitiert.
https://www.nist.gov/advanced-communications/nextg-5g-and-beyond-technology