Sind fortschrittliche 5G-Antennentechniken der beste Weg, den 5G-Wert zu maximieren?
WO IST DER GESAMTVOLLSTÄNDIGE 5G-WERT UND WER ERKENNT DAS?
Es gibt zwei offensichtliche Antworten auf die Hauptfaktoren, die den Gesamtwert von 5G ausmachen. Erstens ermöglicht 5G kosteneffiziente zusätzliche Kapazitäten durch den Zugriff auf neue Frequenzen, deren effiziente Nutzung und die einfache Bereitstellung von Basisstationen, die für die Ausschöpfung des vollen Potenzials dieser neuen Frequenzen entscheidend sind.
Zweitens ermöglicht es die Unterstützung neuer Anwendungsfälle, die vernetzte Innovationen und neue Einsatzszenarien fördern. Betrachtet man jedoch die kosteneffiziente Bereitstellung zusätzlicher Kapazitäten, ist dies eine Möglichkeit, die Kosten für ihr bestehendes Geschäftsmodell zu senken oder zumindest einzuschränken, unabhängig davon, ob die Betreiber in der Lage sind, die neuen Einnahmen zu erzielen, die mit neuen 5G-Anwendungsfällen verbunden sind.
WARUM SIND ANTENNENARRAYS FÜR DIE 5G-EINFÜHRUNG SO WICHTIG?
Im Grunde handelt es sich um Energie in Form oszillierender elektrischer und magnetischer Felder. Die Felder können auf unterschiedliche Weise und mit unterschiedlichem mathematischen Aufwand konfiguriert oder optimiert werden, um die Energie in eine bestimmte Richtung (Strahlen) oder um einen bestimmten Punkt im Raum (Blase) zu fokussieren.
Natürlich erhöht die Konzentration der Energie die Signalstärke oder, einfacher gesagt, die Anzahl der auf einem Mobiltelefon sichtbaren Balken. Das bedeutet, dass, solange das Gerät ein akzeptables Signal hat, die Leistung sowohl an der Basisstation als auch am Gerät selbst entsprechend angepasst werden kann, um sicherzustellen, dass die Gesamtenergie nicht „verschwendet“ wird. Daher ist die Konzentration der Energie im Hinblick auf den Gesamtenergieverbrauch äußerst wünschenswert.
Die maximale Leistungsabgabe jeder einzelnen Basisstation ist durch nationale Vorschriften beschränkt. Die Bündelung der Energie ist daher ein Schlüsselfaktor, ebenso wie die Bereitstellung zusätzlicher Frequenzen, die eine effiziente gemeinsame Nutzung (Multiplexing) der „Energie“-Ressource ermöglichen. Je stärker die Energie gebündelt ist, desto effizienter ist die Basisstation insgesamt – und dies wird in Form des Gesamtdurchsatzes oder der Zellreichweite realisiert.
Es ist daher klar, dass die Fähigkeit, Energie effizient zu bündeln, zu einem effizienteren Einsatz von Basisstationen führt. Dies wiederum führt zu einem höheren Gesamtdurchsatz und/oder größeren Zellflächen, was bedeutet, dass weniger Basisstationen erforderlich sind, um die gleichen Gesamtdienstanforderungen zu erfüllen. Die Bündelung der Energie führt direkt zu Kosteneinsparungen. Je stärker der Strahl oder die Energieblase gebündelt ist, desto größer ist die Kosteneinsparung (um die Gleichung auf ihre einfachste Form zu reduzieren). Antennenarrays sind die Art und Weise, wie wir diese Energie bündeln.
WIE FOKUSSIEREN ANTENNENARRAYS DIE ENERGIE?
Einzelantennen übertragen im Allgemeinen ein Signal, ein oszillierendes elektrisches und magnetisches Feld, über einen sehr weiten Winkel – oft omnidirektional. Die Form und Herstellung der Antenne prägt das tatsächliche Sende-/Empfangsmuster, aber im Allgemeinen ist es unfokussiert.
Wenn wir neben der ersten Antenne weitere Antennen hinzufügen und den Abstand sorgfältig wählen, können wir von jeder Antenne dasselbe Signal senden und dabei konstruktive und destruktive Interferenzmuster erzeugen. Die Signale stören sich gegenseitig, wobei sie sich manchmal addieren (wenn sie in Phase sind), manchmal aufheben (wenn sie außer Phase sind).
Es ist die konstruktive Interferenz, bei der sich die Signale jeder Antenne zu einem viel größeren Signal addieren, die uns effektiv den „Fokussierungsmechanismus“ ermöglicht. Die konstruktive Interferenz hat im Allgemeinen die Form eines Energiestrahls (in eine bestimmte Richtung) oder einer Energieblase (um einen Punkt im Raum). In anderen Richtungen oder an anderen Punkten ist das Signal viel schwächer, da die Signale der verschiedenen Antennen destruktiv interferieren und sich gegenseitig aufheben.
Hier sind die beiden wichtigsten Punkte:
- Erstens: Je mehr Antennen vorhanden sind, desto fokussierter ist das Signal, der Strahl oder der Punkt.
- Zweitens können wir den Strahl oder Fokuspunkt ausrichten, indem wir das relative Timing des Signals ändern, das auf jede Antenne angewendet wird. In Wirklichkeit ist es viel komplexer, aber diese einfache Beschreibung ermöglicht es uns zu verstehen, warum 5G in Bezug auf diese Techniken so besonders ist.
WAS IST DAS BESONDERE AN 5G UND ANTENNENARRAYS?
Es gibt einige grundlegende Unterschiede zwischen 5G und früheren Generationen, aber was Antennenarrays angeht, ist es wirklich interessant, für welche Frequenzen 5G relevant ist. Frühere Generationen wurden für den Betrieb im UHF-Band zwischen ~ 700 MHz und 2600 MHz entwickelt und konstruiert. Hier sind die Antennen relativ groß, und die Verwendung von Antennenarrays mit mehr als vier oder acht Antennen wird hinsichtlich Kosten und physischer Größe/Gewicht problematisch.
Im Gegensatz dazu ermöglicht 5G die Nutzung von viel höheren Frequenzen, die weit in das Millimeterwellenspektrum hineinreichen, sowie die bereits erwähnten niedrigen bis mittleren Frequenzen. Bei den höheren Frequenzen sind die Antennen viel kleiner, sodass viele Antennen in einem einzigen Array verwendet werden können – beispielsweise 64 oder 256, was als massive Antennenarrays bezeichnet wird. Dies wiederum ermöglicht sehr fokussierte Strahlformungs- oder MIMO-Antennentechniken (Multiple In Multiple Out).
5G ermöglicht nicht nur den Zugriff auf ein viel breiteres Spektrum, sondern ermöglicht uns auch, dieses Spektrum sehr effizient zu nutzen – sofern wir fortschrittliche Antennentechniken einsetzen – und Arrays verwenden. Die Effizienzsteigerungen, die wir im Vergleich zu früheren Generationen erzielen können, sind sehr signifikant. Die Benchmarkwerte liegen bei 3x gegenüber LTE Advanced, aber die tatsächlichen Werte sind potenziell viel, viel höher. Dies gibt uns eine hervorragende Effizienz bei den höheren Millimeterwellen, obwohl die reduzierte Reichweite bei höheren Frequenzen bedeutet, dass die Basisstationen an „Hotspots mit hoher Kapazität“ eingesetzt werden müssten.
Mit Fortschritten bei Verarbeitungsmöglichkeiten und Fertigungstechniken ist es auch möglich, riesige Antennenfelder im mittleren Frequenzbereich einzusetzen, wo die Zellfläche im Allgemeinen größer ist als bei Millimeterwellenfrequenzen. Dies führt zu hocheffizienten Basisstationseinsätzen mit ausgezeichnetem Durchsatz und hervorragender Abdeckung.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass 5G New Radio uns Zugriff auf Frequenzen ermöglicht, die für private Netzwerke in lizenzfreien oder gemeinsam genutzten Frequenzbändern reserviert sind. Dies ist ein wichtiger Wegbereiter für die industrielle Automatisierung und intelligente Fabriken sowie die damit verbundenen neuen Geschäftsmodelle. Diese relevanten lizenzfreien Frequenzen liegen tendenziell weiter oben im Spektrum, sodass massive Antennenarrays und die dazugehörigen Beamforming-/MIMO-Techniken wesentliche Bestandteile vieler neuer Bereitstellungsszenarien und Anwendungsfälle sind.
Das Fazit
All dies führt zu mehr Effizienz, was wiederum zu einem kosteneffizienten Einsatz von Ressourcen/Basisstationen führt. Es gibt eine Reihe verschiedener Aspekte von 5G, die zur Gesamteffizienz beitragen, aber es sind fortschrittliche Antennentechniken und insbesondere riesige Antennenarrays, die uns die Möglichkeit geben, das Potenzial von 5G voll auszuschöpfen, indem wir die Kosten unter Kontrolle halten, die Kapazität massiv steigern und gleichzeitig neue Anwendungsfälle und Geschäftsmodelle erkunden.
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