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NextG: 5G-and-Beyond-Technologie

Gemeinsame Nutzung von Frequenzen NIST / USA

Gemeinsame Nutzung von Frequenzen  in den USA
( Grafiken )
 
 
 
 
 
 
 
 
N I S T  / USA

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