Hoe betere antennes de prestaties van 5G-netwerken kunnen verbeteren
Cum laude voor promovendus Teun van den Biggelaar. Hij heeft een antennesysteem ontwikkeld voor ultrasnelle 5G-netwerken.
Onze samenleving is sterk afhankelijk van draadloze communicatie. Veel mensen hebben nu al ten minste één mobiele telefoon en binnen vijf jaar zullen er volgens de voorspellingen meer dan vier miljard extra apparaten zijn aangesloten op het mobiele netwerk. Als gevolg daarvan zal het dataverkeer enorm toenemen, waardoor het huidige 4G-netwerk dichtslibt. Om dit probleem op te lossen, schakelt de wereld over op mobiele communicatie van de vijfde generatie (5G). Dit vereist echter een belangrijke wijziging van het antennesysteem. Elektrotechnisch ingenieur en promovendus Teun van den Biggelaar heeft een antennesysteem ontwikkeld gebaseerd op arrays, dat zorgt voor betrouwbare communicatie over 5G netwerken. Van den Biggelaar is op 11 november cum laude gepromoveerd aan de TU/e.
"Mobielen netwerken zijn nu nog vaak 'one-system-fits-all', zegt Van den Biggelaar. “5G is een paradigmaverschuiving in de mobiele communicatie-industrie, omdat verschillende frequentiebanden kunnen worden gebruikt voor verschillende toepassingen. In Europa liggen deze frequentiebanden rond de 700 MHz, 3,5 GHz en 26 GHz. Elke band heeft zijn eigen functionaliteiten en implicaties. In de Electromagnetics Group onder leiding van professor Bart Smolders richten we ons op 5G netwerken in de 26 GHz band, vaak de millimeter-golffrequentieband genoemd".
Deze 5G mm-golffrequentieband biedt een grote bandbreedte en maakt zeer hoge datasnelheden mogelijk. In vergelijking met 4G kan de datasnelheid met een factor 10 tot 100 worden verhoogd.
Het lagere bereik van 5G-netwerken
Maar de 5G mm-golffrequentieband heeft ook een nadeel: het bereik is een stuk minder dan bij 4G-frequenties, omdat 5G mm-golffrequenties gemakkelijker worden geblokkeerd door objecten zoals bomen en gebouwen. Dit probleem kun je oplossen door meer basisstations te installeren. Voordeel is dat je dan ook kleinere antennes kunt gebruiken dan bij een 4G-netwerk. Een andere manier om het verlies aan bereik te compenseren is het verhogen van de zogenaamde ‘versterking’ van het antennesysteem. Dit kan door gebruik te maken van arrays.
Antennes in 4G-systemen hebben vaak een relatief lage versterking, wat betekent dat de straling niet in één bepaalde richting gaat. Stel je meerdere antennes tegelijk op in een antenne-array, dan ontstaat er een interferentiepatroon. Je kunt de straling dan wel in één richting focussen, waardoor ook je versterking toeneemt. Dat compenseert het bereikverlies van de 5G-mm-band. Door het signaal van elk antenne-element op een slimme manier aan te passen, kan de richting van de straling zelfs worden veranderd, zodat je een bewegende gebruiker kunt volgen.
Een dergelijk array-systeem zal waarschijnlijk worden toegepast in 5G-netwerken. Voor zijn promotieonderzoek heeft Van den Biggelaar in samenwerking met NXP Semiconductors in Nijmegen een 5G-antennesysteem ontwikkeld.
Het karakteriseren van antennesystemen
"Het is van groot belang dat antennesystemen voldoen aan de voorschriften van standaardiseringsorganisaties en overheidsinstellingen om betrouwbare communicatie te waarborgen en gezondheidsrisico's te beperken", merkt Van den Biggelaar op. "Het nauwkeurig karakteriseren van antennesystemen is daarom cruciaal”.
De antennes en de elektronica in conventionele 4G-basisstations kunnen afzonderlijk worden ontworpen en gekarakteriseerd. Bij 5G mm-golffrequenties is dit onpraktisch omdat de afzonderlijke antenne-elementen zeer klein zijn en meestal sterk geïntegreerd.
De onderzoeker heeft daarom in samenwerking met het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de Verenigde Staten methoden ontwikkeld om 5G mm-golf (geïntegreerde) antennesystemen nauwkeurig te karakteriseren. Deze methoden leiden tot minder meetfouten en onzekerheid, wat uiteindelijk de betrouwbaarheid van het toekomstige 5G-cellulaire netwerk ten goede komt. Omdat deze methoden ook gelden voor hoogfrequente toepassingen, kan het werk van Van den Biggelaar ook worden toegepast op 6G mobiele communicatie.
Titel van de dissertatie: Over-the-air characterization of millimeter-wave integrated antenna systems. Begeleiders: Bart Smolders en Ulf Johannsen.