Everything you always wanted to know about 5G – But were afraid to ask

Wie viele Antennen braucht man bei 5G?

Ausgangspunkt des Designs von 5G waren Leistungsanforderungen definiert von der ITU-R.
Im Wesentlichen geht es dabei um

• Höhere Datenraten
• Grössere Anzahl von IOT-Geräten
• Kurzen Latenzen und zuverlässiger Kommunikation

Höhere Datenraten werden durch breitere Kanäle, eine höhere Modulationsordung und vor allem Mehrantennentechnologie (MIMO) erreicht.
Im Gegensatz dazu senden IOT-Geräte mit extrem geringer Datenrate, nur ein paar Worte pro Monat über Jahre hinweg. Hier wird der Sende und Empfangspfad auf das Minimum reduziert und das ist eine gemeinsame Sende- und Empfangsantenne (SISO).

3GPP Standard

Der Technische Standard TS 138 306 von ETSI basierend auf die 3GPP Empfehlung TS38.306 Release 15 ff, definiert die Fähigkeiten des 5G Endgerätes. Der Standard TS38.101 definiert die Bandkombinationen und die Wechselwirkung mit LTE, insbesondere wichtig für den Non-Standalone-Betrieb. Die Eigenschaften der 5G Basisstation (gNB) ist nicht in einem einzelnen Dokument definiert.

• TS138.306
  4.2.7.6: maxNumberMIMO-LayersPDSCH Defines the maximum number of spatial multiplexing layer(s) supported by the UE for DL reception. For single CC standalone NR, it is mandatory with capability signaling to support at least 4 MIMO layers in the bands where 4Rx is specified as mandatory for the given UE and at least 2 MIMO layers in FR2.
  4.2.7.10 maxLayersMIMO-Indication Indicates whether the UE supports the network configuration of maxMIMO-Layersas specified in TS 38.331 [9].

• TS138.521-1
  7.2 Diversity characteristics
  The UE is required to be equipped with a minimum of two Rx antenna ports in all operating bands except for the bands n7, n38, n41, n77, n78, n79 where the UE is required to be equipped with a minimum of four Rx antenna ports. This requirement applies when the band is used as a standalone band or as part of a band combination.
  7.3.2.3 Note 1: Four Rx antenna ports shall be the baseline for this operating band except for two Rx vehicular UE.

Bei Rücksprache mit Vertretern der 5GAA und 3GPP wurde mitgeteilt, dass die Fussnote für vehicular UE auf Forderung der Automobilhersteller entstanden ist.

Netzbetreiberseite

Der Mobilfunk-Netzbetreiber kann seinen Infrastruktur-Hersteller auswählen und darüber hinaus sein Netz konfigurieren. Das Endgerät rapportiert seine Eigenschaften und das Netz bestimmt, welche davon genutzt werden.
Für Frequenzbänder unter 6 GHz (FR1) bieten die Hersteller Konfigurationen mit 8x8, 32x32 und 64x64 MIMO an. Bei höheren Frequenzen werden noch auch 256x256 angeboten. Bei der Variante Multi-User MIMO wird die gesamte Zellkapazität nicht einem einzelnen Benutzer zugeteilt. Unabhängig vom Anwendungsfall darf die Bilanz zwischen Endgerät und Basisstation nicht zu extrem sein, da ein schlechtes Element die Gesamtleistung beeinträchtigt.

Endgeräteseite

Während netzwerkseitig eine Vielzahl von Optionen zur Verfügung stehen, muss das Endgerät eine maximale Anzahl dieser unterstützen. Die Smartphone-Hersteller Apple und Samsung haben massgeblichen Einfluss darauf, welche Funktionalitäten angeboten werden. Auf der Modemseite gibt es ein Quasi-Monopol, da nur das Chipset von Qualcomm aktuell verfügbar ist. D.h. es ist nur realisierbar, was auch von diesem Chipset unterstützt wird.

Die Anforderungen an ein 5G Modem sind wesentlich komplexer als bei LTE-A. Das liegt nicht nur an der zusätzlichen Radiotechnologie (RAT), sondern auch an den zusätzlichen Frequenzbändern. Moderne 5G Modems unterstützen mehr als doppelt so viele Bänder. Dadurch wird der analoge Teil (RFFE) sehr komplex. Um Filter und Kombiner zu vereinfachen und Verluste gering zu halten werden verschiedene Frequenzgruppen auf verschiedene Antennenports gelegt. Auch versucht man FDD und TDD getrennt zu halten. Dadurch werden in der Regel schon 3 der Antennenports mit Ausgangsstufen belegt. Nur einer, der untersuchten Modemhersteller, unterstützt UL-MIMO.

Die Konfigurationsmöglichkeiten des Endgerätes hängen ab vom Befehlssatz. Nachdem sich alle Modems auf ein Chipset von Qualcomm stützen, sind die Unterschiede gering. Es gibt in aller Regel keine Möglichkeit von 4x4 MIMO auf 2x2 MIMO oder SISO umzuschalten.

Darüber hinaus sind weitere Aspekte zu beachten. Die Einhaltung von geführten und gestrahlten Emissionen sowie die Intermodulationsprodukte sind nur gewährleistet, wenn alle Anschlüsse korrekt angeschlossen sind. Ansonsten verliert das Modem seine Zulassung.

Sollte ein Endgerät von seinen Leistungsdaten auffallen, so würde es automatisch vom Mobilfunknetz aussortiert, Radio Ressourcen Management und Scheduler greifen auf den verschiedenen Ebenen ein.

Zusammenfassung

Der Standard schreibt 4 RX (Empfangs-) Antennen für 5G Bänder mit 3.5 GHz (TDD) als auch n7 2.6 GHz (FDD), n38 2.6 GHz (TDD) und n41 2.5 GHz (TDD) vor.
Somit sind für die 5G Kernbänder die 4 RX Antennen verpflichtend. Die Modems benötigen für die Frequenzen der Europäische Netzbetreiber 3 Sendeantennen. Konsequenterweise unterstützen die NetModule 5G Router nur Konfigurationen, bei denen alle 4 Antennenstecker belegt sind.