Ma még senki sem tudja teljes bizonyossággal, hogy mit fog takarni az 5G fogalma, sem azt, hogy e technológia merész célkitűzéseit milyen eszközökkel, módszerekkel fogják elérni. Az 5G két kulcsfontosságú jellemzője azonban már körvonalazódik: egyrészt, a fogyasztói célú kommunikációs eszközök teljesen új, 30 GHz feletti, milliméteres hullámsávokban fognak működni (1. táblázat), másrészt, a jelek elfoglalt sávszélessége az eddigieknél lényegesen nagyobb lesz. Az ilyen jellegű kommunikációhoz szükséges, új csatornákat az optimális kihasználás érdekében behatóan elemezni kell. A cellás rádiórendszerek átviteli útjainak e célból történő felmérésére szolgáló legfontosabb eljárás a csatornamérés.
![1. táblázat. A mobiltávközlés új tartományai. Forrás: „ITU-R V.431-7: Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunications” című ITU-ajánlás: Teljesítménytényező alakulása a terhelés [W] függvényében különböző driverek esetén](/images/stories/cikkek/2016/10/16-5-rohde-t-1.jpg "1. táblázat. A mobiltávközlés új tartományai. Forrás: „ITU-R V.431-7: Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunications” című ITU-ajánlás: Teljesítménytényező alakulása a terhelés [W] függvényében különböző driverek esetén")
Nem minden ér célba...
... ami elindul. Legalábbis a szélessávú rádiójelek esetében nem, melyeknél az adó és a vevő közötti jelútról minden elmondható, csak az nem, hogy ideális. A rádiócsatorna tulajdonságait ezért pontosan ismerni kell, ha ilyen körülmények között szeretnénk nagy teljesítőképességű rádiókommunikációs rendszert üzemeltetni. Az átviteli út karakterisztikája csatornamérővel határozható meg. E mérés – különösen cellás mobilrendszerek esetén – a jelút impulzusválaszának vizsgálatán alapul, aminek ötlete a klasszikus, többek között visszhangalapú vízmélységmérésnél is alkalmazott akusztikus távolságmérésből származik [1].
A csatorna impulzusválasza (CIR) összetett, átfogó képet ad egy adott jelút rádióadásra gyakorolt hatásáról, többek között az amplitúdó- és fázismenetről, így segítségével maga a csatorna kitűnően jellemezhető. A reflexiók okozta visszavert hullámok, a diffrakciós terjedés és szóródások következtében létrejövő jeltorzulások, az épületek és fák kitakarásai, sőt, még az eső- és hóviszonyok is döntően befolyásolják a rádiócsatorna tulajdonságait. Az 1. ábrán egy átviteli út időben változó, h(t, τ) impulzusválaszának négyzete, az ún. teljesítménykésleltetési profil (PDP) látható.
Az adás egy lehetséges, többutas terjedés következtében létrejövő profilja figyelhető meg a késleltetést tükröző τ tengely mentén. A helyi maximumok erős, késleltetett visszavert összetevőket jeleznek, reflexiót keltő pontokra utalva. Ebben a példában a csatorna impulzusválaszának időbeli alakulása a t időtengely mentén látható. Az időbeli ingadozás oka például, mozgó vevő lehet, vagy – általánosabban – a változó átviteli körülmények.
Már ez a példa is jól tükrözi a csatornamérőkkel szemben támasztott alapkövetelményeket. Az érintett frekvenciákon és sávszélességnél elvárt nagy érzékenység mellett időben is elegendően gyorsnak kell lennie egy ilyen berendezésnek ahhoz, hogy az időbeli változásokat követni tudja, ugyanakkor minden egyes impulzusválaszt megfelelően hosszú ideig is mérnie kell, a késleltetés-szórás lehető legjobb időbeli felbontással és dinamikával való vizsgálata érdekében. Ez az ellentmondás sajnos csak kompromisszumokkal oldható fel, az optimális megoldás pedig a körülményektől függ, vagyis attól, hogy állóhelyű vagy időben gyorsan változó környezetben (például gyorsvonaton) végezzük-e a méréseket. Egy csatornamérőnek tehát különösen kifinomultnak és rugalmasnak kell lennie.
A csatorna impulzusválasza közvetlenül időtartománybeli korrelációval határozható meg, amihez különleges autokorrelációs tulajdonságokkal rendelkező, periodikus impulzusjelek szükségesek [1]. Az ilyen jellegű hullámformák egyszerűen előállíthatók. Például: a széles körben használt, M-sorozat néven ismert, maximális hosszúságú álvéletlen bitsorozatok (PRBS-ek) alkalmasak e célra. A csatornamérés alapgondolata nem bonyolult: a bemérendő rádiós jelúton átsugároznak egy periodikus M-sorozatot. A végponton kiszámítják a vett jel és az ismert M-sorozat korrelációját, ami éppen a keresett impulzusválaszt adja eredményül. A mérőjelek persze optimalizálhatók, akár a spektrális felépítésük, akár az alaktényezőjük tekintetében, ezért az M-sorozatok mellett a radartechnikából ismert Frank-Zadoff-Chuvagy FMCW(futtatott frekvenciájú) jeleket is szoktak használni.
Miért kiemelt jelentőségű a csatornamérés az 5G esetében?
A digitális mobilkommunikációs korszak a GSM-mel kezdődött, ezzel együtt azonban a bázisállomások és telefonok gyártóinak szembesülniük kellett a rádiócsatorna hely- és időfüggéséből következő kihívásokkal is. E probléma megoldása érdekében beható csatornavizsgálatokat végeztek, különféle modelleket felállítva. Minden rádiókommunikációs rendszert ezekre a modellekre támaszkodva fejlesztettek, még a hálózattervező eszközöket is. A csatornamodelleket folyamatosan tökéletesítették, egészen napjaink negyedik generációs vezeték nélküli kommunikációs hálózataiig (LTE-A). Mivel a korábbi rendszerek általában 3 GHz alatt, ugyanazokan a sávokban üzemeltek, viszonylag egyszerűen újra és újra fel lehetett használni az egyes csatornamodelleket. Ha azonban teljesen új tartományban létesítünk hálózatokat, például a milliméteres hullámsávban, az elfoglalt sávszélességet pedig a korábbiak sokszorosára növeljük, akkor az eddig használt modellek már nem alkalmazhatók [1]. Beható csatornamérések során felvett adatokra épülő, új modellekre van szükség a régiek helyett, ezért átfogó vizsgálatokba kezdtek, különféle tipikus terepviszonyok mellett. Ilyen például a 3GPP testület által 2015 szeptemberében, az „5G Workshop” rendezvényen meghirdetett mérési kampány is.
A megoldás
Az átviteli út impulzusválaszának közvetlen vizsgálatára szolgáló csatornamérő rendszer egy mérőjeleket előállító, csúcskategóriás, rugalmas adóból és egy különösen érzékeny, igen nagy dinamikatartománnyal rendelkező, szélessávú vevőből épül fel (2. ábra). Az R&S®SMW200A típusú vektor-jelgenerátor, illetve az R&S®FSW típusú, jel- és spektrumanalizátor egy-egy, megfelelő paraméterekkel rendelkező példa erre a Rohde & Schwarz műszerkínálatából.
Az R&S®TS-5GCS nevű, MATLAB®-alapú, új számítógépes program segítségével könnyen meghatározható az impulzusválasz. A szoftver az R&S®FSW által szolgáltatott I/Q-adatokat dolgozza fel, a csatorna impulzusválaszát pedig egy kalibrált, eredeti jelsorozattal való korrelációszámítás útján határozza meg. A mért adatok grafikusan megjeleníthetők és a MATLAB® által kezelt formátumokban menthetők el (3. és 4. ábra). A mérőberendezések kiemelkedően jó, stabil jellemzői biztos hátteret nyújtanak egészen a milliméteres hullámsávokig terjedően, így a munka során a felvett adatok kiértékelésére összpontosíthatunk. Mindezek mellett a csatornamérő szoftver a mérőjelek tekintetében is meglehetősen rugalmas. Ez utóbbiakat az R&S®SMW200A-val kompatibilis formátumban állítja elő, sőt, az R&S®ARB Toolbox Plus eszközkészlet segítségével egyedi igényekhez állíthatók a jelsorozatok, egyedi mérőjeleket létrehozva.
Összefoglalás
Az új, R&S®TS-5GCS nevű csatornamérő szoftver az R&S®SMW200A típusú vektor-jelgenerátorral, valamint az R&S®FSW típusú jel- és spektrumanalizátorral együtt egy kompakt, igen rugalmas, stabil és reprodukálható eredményeket szolgáltató összeállítást alkot, amellyel az ötödik generációs rádiókommunikációs rendszerek által használt nagyfrekvenciás sávokig terjedően végezhetők csatornamérések. A gyártó kínálatában szerepel olyan műszerváltozat, amely az összes érintett tartományt és sávszélességet lefedi, megfelelő adó- és vevőantennákkal együtt. A mérőszoftverrel meglepően könnyedén elő lehet állítani a csatorna impulzusválaszával kapcsolatos eredményeket.
Hivatkozások
[1] Radio Propagation Measurement And Channel Modeling, Sana Salous, Durham University Uk, Published 2013 By John Wiley And Sons Ltd. Winner Ii D1.1.2, “Channel Models”, V1.2, 2008; Megtekinthető: http://www.ist-winner.org/deliverables.html
