Immissionsmess- und Hochrechnungsverfahren für 5G Massive MIMO

Während des Betriebs von Mobilfunkbasisstationen ist die messtechnische Bestimmung der aktuellen und der maximal möglichen Immissionen durch elektromagnetische Felder von hoher Wichtigkeit. Mit der Einführung von 5G und der damit verbundenen möglichen Anwendung von Beamforming werden bestehende Konzepte zur Immissionsbestimmung vor neue Herausforderungen gestellt. Das IHF ist aktiv daran beteiligt einen Beitrag zur Entwicklung eines Immissionsmessverfahrens für 5G-Basisstationen mit Beamforming-Antennen zu leisten, um auftretende Immissionen verlässlich quantifizieren zu können.

Durch den wachsenden Bedarf nach höheren Datenübertragungsraten und Datenmengen steigen auch die Anforderungen an die Mobilfunknetze. Neben den bereits seit vielen Jahren existierenden Mobilfunknetzen 2G, 3G und 4G (GSM, UMTS, LTE) hat der flächendeckende Ausbau von 5G-Netzen bereits begonnen. Im Vergleich zu 2G-4G erreicht 5G eine neue Stufe hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Mobilfunknetze. Insbesondere für das Nutzungsszenario „enhanced Mobile Broadband“ (eMBB) ist eine Sicherstellung hoher Datenraten selbst am Zellrand vorgesehen. Eine Erhöhung der Datenraten wird zum einen durch höhere Kanalbandbreiten erreicht, die bei 5G im Frequenzbereich 1 (bis 7,125 GHz) bis zu 100 MHz betragen können. Um die spektralen Ressourcen der Mobilfunkzelle effizienter nutzen zu können, kann bei 5G zum anderen zusätzlich Beamforming verwendet werden. Mit Beamforming können die Basisstationsantennen Signale gezielt in bestimmte Richtungen der Zelle abstrahlen, in denen sich zu versorgende Nutzer befinden. Zusätzlich kann die Abstrahlung einem sich bewegenden Nutzer dynamisch nachgeführt werden. Aus Sicht des Immissionsschutzes stellt das dynamische Abstrahlverhalten der Basisstationsantennen bestehende Konzepte zur Bestimmung von Immissionen vor neue Herausforderungen.

Beamforming-Antennen – die Technik dahinter wird auch Massive MIMO genannt – sind Antennen-Arrays, die aus einer Vielzahl von horizontal und vertikal angeordneten Einzelantennen bestehen. Dadurch kommt es zu einer starken Bündelung des Abstrahlverhaltens der Antennen, d.h. zu einer Erhöhung des Antennengewinns, der mit der Anzahl der eingesetzten Antennenelemente steigt. Je höher der Antennengewinn ausfällt, desto zielgerichteter kann die Antenne in die gewünschte Richtung abstrahlen, während die teilweise unerwünschte Abstrahlung in Nebenrichtungen reduziert werden kann. Das eigentliche Schwenken bzw. Nachführen der abgestrahlten sogenannten Beams wird durch Speisung der Einzelantennen mit demselben, aber phasenverschobenen Signal realisiert. Der dadurch erzeugte Laufzeitunterschied der einzelnen abgestrahlten Signale jedes Antennenelements führt zu einer konstruktiven Überlagerung in die gewünschte Abstrahlrichtung. Dabei ist es möglich die Beams gleichzeitig sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung zu schwenken.

Während des regulären Betriebs von Mobilfunkbasisstationen ist es notwendig die Einhaltung der Grenzwerte an bestimmten Messpunkten messtechnisch verifizieren bzw. die Immissionshöhen zu quantifizieren. Hierfür ist der Zustand höchster betrieblicher Anlagenauslastung maßgeblich. Dieser Zustand kann in der Praxis aber nicht ohne Weiteres zur Durchführung von Immissionsmessungen generiert werden, da sich für gewöhnlich auch andere aktive Endgeräte in der Mobilfunkzelle befinden, die einen Teil der zur Verfügung stehenden Ressourcen beanspruchen. Aus diesem Grund wird zur Bestimmung der Maximalimmission im Mobilfunk zuerst die Immission eines mit konstanter Leistung abgestrahlten Signalisierungssignals gemessen. Basierend auf der Immission des Signalisierungssignals erfolgt eine Extrapolation auf Maximalimmission. Bei 5G eignet sich hierfür der sogenannte SS/PBCH Block oder kurz SSB, da dieser unabhängig von der aktuellen Verkehrsauslastung in der Mobilfunkzelle periodisch sowie mit konstanter Sendeleistung abgestrahlt wird.

Bei den Vorgängermobilfunkgenerationen 2G, 3G und 4G werden das Signalisierungssignal, das als Basis für die Hochrechnung verwendet wird, und der eigentliche Verkehr, der für die Maximalimmission sorgt, mit derselben Abstrahlcharakteristik der Antenne ausgesendet. Bei 5G können jedoch zusätzlich Massive-MIMO-Antennen zum Einsatz kommen, wodurch Signalisierung und Verkehr mit unterschiedlichen Charakteristika abgestrahlt werden können. Für die Signalisierung (SSB) werden SSB Beams und für den Verkehr Traffic Beams verwendet. Im Frequenzbereich 1 können maximal acht SSB Beams sequenziell abgestrahlt werden. Jeder SSB Beam deckt dabei einen unterschiedlichen Bereich der Mobilfunkzelle ab.

Traffic Beams können deutlich feiner ausgerichtet werden und können gegenüber den SSB Beams auch unterschiedlich große Zellbereiche abdecken. Dieses unterschiedliche Abstrahlverhalten von SSB und Traffic Beams hat weitreichende Folgen für die Bestimmung der Maximalimmission. Beim Hochrechnungsverfahren muss im Gegensatz zum Vorgehen bei 2G, 3G und 4G daher zusätzlich der Antennengewinnunterschied zwischen Traffic und SSB Beams berücksichtigt werden, weil diese unterschiedlich stark gebündelt und ausgerichtet werden können.

Neben diversen internationalen sowie nationalen Normungsgremien, die sich mit der Fragestellung auseinandersetzen, wie Beamforming bei der Immissionsbestimmung in angemessener Weise zu berücksichtigen ist, ist auch das IHF aktiv daran beteiligt einen Beitrag zur Beantwortung dieser Frage zu leisten. Die Forschungsaktivitäten in diesem Bereich werden unter anderem im Rahmen des Vorhabens "Berücksichtigung aktueller Mobilfunkantennentechnik bei der HF-EMF-Expositionsbestimmung" durch das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) gefördert. Ziel des Vorhabens, das das IHF in Zusammenarbeit mit der TU Ilmenau sowie mit dem EM-Institut durchführt, ist die messtechnische Überprüfung möglicher Hochrechnungsverfahren zur Bestimmung der Maximalimmission bei 5G-Basisstationen mit Massive MIMO. Dabei werden auch typische und maximale Immissionen ermittelt, um die Auswirkungen von Beamforming auf die Immission zu quantifizieren.

Sponsoring und Beratung

Für die technische Umsetzung der Messungen wird das IHF von Wilke Engineering Consulting (WEC) beraten. Als ehemaliger Mitarbeiter des Instituts sponsert Ralf Wilke Hardwarekomponenten, welche die Langzeitmessungen im Rahmen der Forschungsaktivitäten möglich machen. Auch wird das IHF freundlicherweise bei der Automatisierungtechnologie zur mobilen netzunabhängigen Erfassung der Immisionen im Rahmen von 5G von WEC unterstützt.