Motorgesteuerte Filter in 5G-Basisstationen

Wie ferngesteuerte Antennen und künstliche Intelligenz Mobilfunknetze verändern werden

Mobilfunknetze haben seit der Einführung der ersten 2G-Netze vor 30 Jahren einen enormen Anstieg des Traffics erlebt. Viele glauben, die Kapazitätssteigerung sei auf effektivere Funkprotokolle (3G-, 4G- und bald 5G-Funkschichten) und mehr Frequenzen zurückzuführen, doch der eigentliche treibende Faktor ist die „höhere spektrale Effizienz“.

Um zu verstehen, was dieses Kauderwelsch bedeutet, stellen Sie sich einen großen Raum vor, in dem nur zwei Personen miteinander sprechen. Dann setzen Sie weitere 100 Personen in diesen Raum. Diese Personen versammeln sich paarweise und beginnen gleichzeitig miteinander zu sprechen. Die Menge an Informationen, die im Raum ausgetauscht wird, hat sich nun um den Faktor 100 erhöht. Da alle dieselben, mechanischen Funkwellen (Spektrum) nutzen, erhöht sich die spektrale Effizienz im gleichen Maße.

Übertragen auf die Mobilfunknetze hat die Verdichtung der Basisstationen, d. h. die Wiederverwendung von Spektrum, zu etwa 99 % des gesamten Kapazitätszuwachses in den letzten Jahrzehnten beigetragen (das so genannte Cooper‘s Law). Genauso wie die 100 Personen im Raum nicht zu nahe beieinander stehen können, damit dies funktioniert, sind auch die Funkbasisstationen geografisch voneinander getrennt. Die Entfernung zwischen zwei Basisstationen in einer Stadt kann manchmal weniger als hundert Meter betragen. Mit dem Aufkommen von 5G-Systemen werden mehr und kleinere Zellen sowohl in Gebäuden als auch im Freien eingesetzt werden.

Die von einer Basisstation ausgesendete Energie wird durch Antennen in der gleichen Weise gelenkt, wie Sie die Energie Ihrer Stimme mittels der Ausrichtung Ihres Kopfes lenken. Nehmen wir noch einmal die Analogie mit dem Raum voller Menschen: In der Regel sollten Sie Ihren Mund auf die Ohren der Zuhörer richten. Dasselbe gilt für die Antennen von Mobilfunk-Basisstationen, die heute vertikal geneigt und horizontal ausgerichtet sind, um bestimmte Gebiete abzudecken und sich nicht gegenseitig zu stören. Die Ausrichtung kann manuell, digital (Massive Multiple Input Multiple Output, mMIMO) oder mit kleinen Motoren, die die vertikale Neigung einstellen, erfolgen. Wenn die Neigung durch kleine Motoren ferngesteuert werden kann, spricht man von Remote Electrical Tilt (RET).

RET-Antennen sind im Vergleich zu massiven MIMO-Antennen kostengünstig, aber normalerweise wird die Neigung nur einmal bei der Installation eingestellt. Der Grund dafür ist, dass die Betreiber nicht gewillt sind, die Einstellung ihrer Netze zu gefährden, sobald die Dinge funktionieren. Die Änderung der Neigung einer einzelnen Antenne kann zu unerwünschten Nebeneffekten (unterbrochene Anrufe oder verstärkte Störungen) in anderen Teilen des Netzes führen, und es bedarf erfahrener Netzoptimierer, um dies herauszufinden.

Angesichts der rasanten Entwicklung des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz ist zu erwarten, dass die Intelligenz hinter der adaptiven Antennenabstimmung in naher Zukunft von Software übernommen wird. Und dann wird der Wert zuverlässiger RET-Antennen rapide steigen. Nehmen wir ein Beispiel, bei dem eine Antenne tagsüber ein Industriegebiet, nachmittags eine Autobahn und abends ein Wohngebiet abdecken könnte. Die KI-Software würde alle Antennen in dem Gebiet ermitteln und ausrichten, um die gesamten Systemressourcen zu optimieren.

Ein häufiges Problem bei RET-Antennen ist, dass sie mit der Zeit kaputt gehen. Viele Probleme hängen mit den Signalkabeln und deren Standardisierung zusammen, aber ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass sie mit Schrittmotoren ausgestattet sind, die kaputt gehen können, wenn Staub in die Lager gelangt. Außerdem werden sie aus Teilen gebaut, die rosten können. Durch den Einsatz von Linearmotoren kann die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von RET-Antennen erheblich verbessert werden.

Warum in 5G-Basisstationen motorgesteuerte Filter benötigt werden

In den letzten Jahrzehnten haben wir uns daran gewöhnt, unsere Smartphones, Autos, Tablets und Wearables mit Mobilfunknetzen zu verbinden. Zusätzlich zu dieser Infrastruktur haben Dienste wie WhatsApp, Netflix, Uber und Spotify die Branchen verändert.

Die Grundlage für diese Entwicklung ist der Ausbau der Mobilfunknetzinfrastruktur (2G, 3G und 4G). Bislang wurden in jedem Land drei bis fünf Netze von den Mobilfunknetzbetreibern parallel aufgebaut. Dieses Modell hat über lange Zeit funktioniert, aber da der zusätzliche Umsatz pro Nutzer (ARPU) Jahr für Jahr sinkt, wird die notwendige Netzverdichtung von vielen Mobilfunknetzbetreibern aufgegeben.

Gleichzeitig steht die nächste Generation von Netzen (gemeinhin als „5G“ bezeichnet) in den Startlöchern. Wenn es in Betrieb ist, wird 5G kostengünstiger zu betreiben sein als frühere Mobilfunknetze, aber die Kosten für die Einführung neuer Geräte und den Erwerb weiterer Frequenzen sind erheblich.

Der beste Weg für die Mobilfunknetzbetreiber, ihre Kosten zu senken, besteht darin, miteinander zu kooperieren. Theoretisch könnten sie eine einzige physische Infrastruktur pro Land aufbauen und dann die Investitionsausgaben (CAPEX), die Betriebskosten (OPEX) und die Lizenzkosten teilen. Aus Gründen der Tradition sind sie daran nicht sonderlich interessiert, aber in vielen Ländern nutzen sie bereits die Infrastruktur gemeinsam – ein Trend, der sich fortsetzen wird. In Deutschland haben die Mobilfunknetzbetreiber den Willen bekundet, eine einheitliche, gemeinsame Infrastruktur für 5G in ländlichen Gebieten aufzubauen.

Wenn Betreiber Funkgeräte gemeinsam nutzen, ist es vorteilhaft, wenn diese mit Multistandard- (2G, 3G, 4G, 5G) und Multifrequenzkomponenten ausgestattet sind, sodass Frequenzen und Zugangstechnologien adaptiv und ferngesteuert hinzugefügt oder entfernt werden können. Das spart eine Menge Kosten, sowohl bei den Ersatzteilen als auch beim Mastklettern, bei der Fehlersuche, bei der Einstellung und bei der Markteinführungszeit.

Die meisten Hersteller von Funkausrüstung bieten heute Basisstationen an, die dem Multistandard nahe kommen. Was noch fehlt, sind die Filter, die zur Festlegung der Betriebsfrequenz der Basisstation verwendet werden. Diese schmalen Filter befinden sich in der Regel in der Nähe der Antennen, d. h. es ist kostspielig und zeitaufwändig, sie auszutauschen, wenn einem Standort nach einer Frequenzauktion oder der Übernahme eines anderen Betreibers mehr Spektrum zugewiesen wird.

Für eine vollständig flexible und multifrequente Basisstation müssen diese schmalen Filter eine Fernabstimmung ermöglichen. Technisch ist dies mit kleinen Motoren machbar, die zur Einstellung der Grenzfrequenz der Filter verwendet werden. Viele Unternehmen haben sich mit diesem Thema befasst, aber die Technologie ist noch nicht ausgereift, da bei den Motoren, die die Filter steuern sollen, noch nicht die nötige Kombination aus Preis, Größe und Qualität erreicht worden ist.

Der Markt für abstimmbare Filter ist riesig. Weltweit sind bereits mehrere Millionen Basisstationen im Einsatz, und die Dichte wird mit 5G noch zunehmen. Jede Basisstation ist mit vielen Filtern ausgestattet, und jeder Filter erfordert viele Motoren, um vollständig eingestellt werden zu können. Die Zukunft der motorgesteuerten Multifrequenz-Basisstationen ist vielversprechend. Worauf der Markt wartet, sind die richtigen Motoren.