Control of The Over-The-Air measurements system
Koivuranta, Janne (2021-12-09)
Koivuranta, Janne
J. Koivuranta
09.12.2021
© 2021 Janne Koivuranta. Tämä Kohde on tekijänoikeuden ja/tai lähioikeuksien suojaama. Voit käyttää Kohdetta käyttöösi sovellettavan tekijänoikeutta ja lähioikeuksia koskevan lainsäädännön sallimilla tavoilla. Muunlaista käyttöä varten tarvitset oikeudenhaltijoiden luvan.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202112099263
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202112099263
Tiivistelmä
Mobile technology is constantly on the move, and it is constantly under development as more efficient and sophisticated telecommunication solutions are needed. As the technology evolves the measurement systems needs to evolve as well. The mobile technology is on the brink of upheaval as we are moving from 4th Generation of wireless communication systems (4G) to 5th Generation of wireless communication systems (5G). The new mobile technology 5G brings new higher frequency bands and new technologies such as massive multiple-input multiple-output and beamforming (BF). In 5G, over-the-air (OTA) measurements are more important because it is virtually impossible to obtain reliable measurement results of BF performance. As the number of antenna elements increases and the antenna spacing decreases, it is very difficult to connect each antenna element to the measuring device with a cable.
In this thesis we made tool to control a whole OTA measurement system. The tool is Python code that is run from the Windows desktop with access to the OTA measurement system. The Python code controls which antennas are taken into measurement, connects those to spectrum analyser, configures spectrum analyser and vector signal analyser and measures the power level for the desired beam set. Once the measurement results are collected, it draws a heatmap that visualizes the performance of the BF.
The measurements were done by using different number of transmitted beams on the same radio unit. Each configuration was measured multiple times to ensure the stability and reliability of the system. The number of transmitted beams in measurement were 2, 4 and 6. From the plotted heatmaps it was concluded that in all measurements all synchronization signal block (SSB) beams were visible and the directions of the SSB beams were as expected. However, in all measurements the power of SSB beam 1 was slightly lower than the other SSB beams which refers to minor issue in beamforming.
As expected, when the number of transmitted beams were 2, the half-power bandwidth (HPBW) was wider and the directivity lower than with 4 or 6 transmitted beams. In measurement results with 2 beams, we had unexpected power drop in the location of antenna 2 in the second SSB beam.
With 4 or 6 transmitted beams we measured approximately same HPBW and directivity. The radiation patterns were also as expected. The performance with 6 beams were better in terms of coverage. With 6 transmitted beams we observed more closely mapped beams which ensures that the user equipment can seamlessly move from beam to another without drop in the signal-to-noise ratio. With 6 beams we also observed slightly wider sector coverage than with 4 transmitted beams. Mobiiliteknologia on jatkuvasti liikkeellä ja sitä kehitetään jatkuvasti, kun tarvitaan entistä tehokkaampia ja kehittyneempiä tietoliikenneratkaisuja. Tekniikan kehittyessä myös mittausjärjestelmiä on kehitettävä. Mobiiliteknologia on mullistuksen partaalla, kun olemme siirtymässä 4. sukupolven langattomista viestintäjärjestelmistä (4G) 5. sukupolven langattomiin viestintäjärjestelmiin (5G). Uusi mobiiliteknologia 5G tuo uusia korkeampia taajuuskaistoja ja uusia teknologioita, kuten massiivinen moniantennitekniikka ja keilanmuodostus (BF). 5G:ssä ilmarajapinta (OTA) -mittaukset ovat tärkeämpiä, koska pelkästään kaapeleilla on käytännössä mahdotonta saada luotettavia mittaus tuloksia BF-suorituskyvystä. Kun antennielementtien määrä kasvaa ja niiden väliset etäisyydet pienenevät, on hyvin vaikeaa liittää jokainen antennielementti mittauslaitteeseen.
Tässä opinnäytetyössä teimme työkalun koko OTA-mittausjärjestelmän ohjaamiseen. Työkalu on Python-koodi, joka ajetaan Windowsin työpöydältä, jolla on pääsy OTA-mittausjärjestelmään. Python-koodilla ohjataan mitkä antennit otetaan mittaukseen, kytkee ne spektrianalysaattoriin, konfiguroi spektrianalysaattorin ja vektorisignaalianalysaattorin sekä mittaa tehotason halutulle keilaryhmälle. Kun mittaustulokset on kerätty, se piirtää lämpökartan, joka visualisoi BF:n suorituskyvyn.
Mittaukset tehtiin lähettämällä eri määrä keiloja eri mittauksessa samalla radioyksiköllä. Jokainen säteilykuvio mitattiin useita kertoja järjestelmän vakauden ja luotettavuuden varmistamiseksi. Lähetettyjen keilojen lukumäärät olivat kaksi, neljä ja kuusi. Piirretyistä lämpökartoista pääteltiin, että kaikissa mittauksissa kaikki synkronointisignaalilohkon (SSB) keilat olivat näkyvissä ja SSB-keilojen suunnat olivat kuten odotettu. Kuitenkin kaikissa mittauksissa ensimmäisen SSB-keilan teho oli hieman pienempi kuin muiden SSB-keilojen, mikä viittaa lievään vikaan keilanmuodostuksessa.
Kuten odotettiin, kahdella lähetetyllä SSB-keilalla puolen tehon kaistanleveys (HPBW) oli leveämpi ja suuntaavuus pienempi kuin neljällä ja kuudella lähetetyllä SSB-keilalla. Kun lähetettiin vain kaksi SSB-keilaa, havaittiin odottamaton tehon putoaminen toisen antennin kohdalla toisen SSB-keilan mittauksessa.
Neljällä ja kuudella lähetetyillä SSB-keiloilla oli suunnilleen sama HPBW ja suuntaavuus. Molempien tapauksien säteilykuvio oli odotusten mukainen. Kuudella lähetetyllä keilalla suorituskyky oli parempi kattavuuden suhteen. Keilat olivat myös mittauksessa tiiviimmin yhdessä, mikä varmistaa, että käyttäjä voi siirtyä saumattomasti keilasta toiseen ilman signaali-kohinasuhteen putoamista. Kuudella lähetetyllä keilalla myös sektoripeitto oli hieman laajempi kuin neljällä lähetetyllä keilalla.
In this thesis we made tool to control a whole OTA measurement system. The tool is Python code that is run from the Windows desktop with access to the OTA measurement system. The Python code controls which antennas are taken into measurement, connects those to spectrum analyser, configures spectrum analyser and vector signal analyser and measures the power level for the desired beam set. Once the measurement results are collected, it draws a heatmap that visualizes the performance of the BF.
The measurements were done by using different number of transmitted beams on the same radio unit. Each configuration was measured multiple times to ensure the stability and reliability of the system. The number of transmitted beams in measurement were 2, 4 and 6. From the plotted heatmaps it was concluded that in all measurements all synchronization signal block (SSB) beams were visible and the directions of the SSB beams were as expected. However, in all measurements the power of SSB beam 1 was slightly lower than the other SSB beams which refers to minor issue in beamforming.
As expected, when the number of transmitted beams were 2, the half-power bandwidth (HPBW) was wider and the directivity lower than with 4 or 6 transmitted beams. In measurement results with 2 beams, we had unexpected power drop in the location of antenna 2 in the second SSB beam.
With 4 or 6 transmitted beams we measured approximately same HPBW and directivity. The radiation patterns were also as expected. The performance with 6 beams were better in terms of coverage. With 6 transmitted beams we observed more closely mapped beams which ensures that the user equipment can seamlessly move from beam to another without drop in the signal-to-noise ratio. With 6 beams we also observed slightly wider sector coverage than with 4 transmitted beams.
Tässä opinnäytetyössä teimme työkalun koko OTA-mittausjärjestelmän ohjaamiseen. Työkalu on Python-koodi, joka ajetaan Windowsin työpöydältä, jolla on pääsy OTA-mittausjärjestelmään. Python-koodilla ohjataan mitkä antennit otetaan mittaukseen, kytkee ne spektrianalysaattoriin, konfiguroi spektrianalysaattorin ja vektorisignaalianalysaattorin sekä mittaa tehotason halutulle keilaryhmälle. Kun mittaustulokset on kerätty, se piirtää lämpökartan, joka visualisoi BF:n suorituskyvyn.
Mittaukset tehtiin lähettämällä eri määrä keiloja eri mittauksessa samalla radioyksiköllä. Jokainen säteilykuvio mitattiin useita kertoja järjestelmän vakauden ja luotettavuuden varmistamiseksi. Lähetettyjen keilojen lukumäärät olivat kaksi, neljä ja kuusi. Piirretyistä lämpökartoista pääteltiin, että kaikissa mittauksissa kaikki synkronointisignaalilohkon (SSB) keilat olivat näkyvissä ja SSB-keilojen suunnat olivat kuten odotettu. Kuitenkin kaikissa mittauksissa ensimmäisen SSB-keilan teho oli hieman pienempi kuin muiden SSB-keilojen, mikä viittaa lievään vikaan keilanmuodostuksessa.
Kuten odotettiin, kahdella lähetetyllä SSB-keilalla puolen tehon kaistanleveys (HPBW) oli leveämpi ja suuntaavuus pienempi kuin neljällä ja kuudella lähetetyllä SSB-keilalla. Kun lähetettiin vain kaksi SSB-keilaa, havaittiin odottamaton tehon putoaminen toisen antennin kohdalla toisen SSB-keilan mittauksessa.
Neljällä ja kuudella lähetetyillä SSB-keiloilla oli suunnilleen sama HPBW ja suuntaavuus. Molempien tapauksien säteilykuvio oli odotusten mukainen. Kuudella lähetetyllä keilalla suorituskyky oli parempi kattavuuden suhteen. Keilat olivat myös mittauksessa tiiviimmin yhdessä, mikä varmistaa, että käyttäjä voi siirtyä saumattomasti keilasta toiseen ilman signaali-kohinasuhteen putoamista. Kuudella lähetetyllä keilalla myös sektoripeitto oli hieman laajempi kuin neljällä lähetetyllä keilalla.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [32041]