University of Oulu

Radio channel modelling for 5G telecommunication system evaluation and over the air testing

Saved in:
Author: Kyösti, Pekka1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526219035
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2018
Publish Date: 2018-05-08
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Saalastinsali, Linnanmaa, on 18 May 2018, at 12 noon
Tutor: Professor Matti Latva-aho
Docent Janne Lehtomäki
Reviewer: Professor Jun-ichi Takada
Professor Fredrik Tufvesson
Opponent: Professor Christoph Mecklenbräuker
Description:

Abstract

This thesis discusses radio channel modelling for evolving radio access and of using the models in practice in a setup for radiated testing of radio devices. New telecommunication systems are constantly being developed to address continuously increasing wireless communication needs. The first pieces of intensively developed fifth generation (5G) networks and devices are planned to be available, in some form, approximately by 2020. An interesting feature of 5G concerning propagation and consequently channel modelling, is the expected utilization of frequencies clearly higher than the legacy cellular systems.

This work aims to define a channel model for the simulated evaluation of the coming 5G systems. New requirements for the channel model are identified and addressed. Further, over the air (OTA) testing of 5G devices in fading conditions is examined and a new setup is proposed. The test environment aims to reconstruct a time variant electromagnetic (EM) field around a device under test (DUT) considering the spatial, polarimetric, Doppler, and delay dispersion characteristics specified by the target channel model. Components and key design parameters of the setup are designated.

It was found that the proposed map-based channel model is capable of fulfilling the identified requirements. Furthermore, the simulations indicate that the state-of-the-art geometry-based stochastic channel model (GSCM) may give over-optimistic multi-user MIMO (MU-MIMO) performance in an urban micro-cellular environment. The sectored OTA concept was shown appropriate for device testing. Key parameters, such as the physical dimensions of the multi-probe anechoic chamber (MPAC) OTA configuration and the number of active probes, were determined by simulations.

The 3GPP is the main forum working towards 5G standards. A channel model for 5G evaluations has recently (2016) been specified. The base-line model is a GSCM inherited from the 4G models. However, the author expects that the proposed map-based models will gain popularity in the future, despite the current widespread use of GSCMs. In the 3GPP working group RAN4 (Radio performance and protocol aspects) the test methods for 5G user equipment (UE) are currently (2017) under investigation. The proposed sectored MPAC method has been contributed to and is under consideration in 3GPP. Even if it is not approved for UE testing, the author expects it to be useful for performance testing of base stations (BSs).

see all

Tiivistelmä

Tämän väitöskirjan sisältönä on radiokanavamallinnus langattomia tiedonsiirtojärjestelmiä varten ja lisäksi mallien käyttöönottoa tulevien radiolaitteiden säteilevässä testauksessa. Uusia tietoliikennejärjestelmiä kehitetään jatkuvasti, yhtä lailla jatkuvasti kasvavien tiedonsiirtotarpeiden tyydyttämiseksi. Ensimmäisten verkkojen ja päätelaitteiden pitäisi olla saatavilla tulevaan viidennen sukupolven (5G) järjestelmään vuoden 2020 tietämillä.

Työn tarkoituksena on määritellä kanavamalli 5G-järjestelmän simulointeja varten ja sitä edeltäen tunnistaa kanavamallin vaatimukset. Lisäksi tutkimuksen aiheena on 5G-laitteiden säteilevä (OTA) testaus häipyvässä radiokanavassa ja uuden testijärjestelmän määrittely tätä tarkoitusta varten. Ehdotetun testijärjestelmän keskeisenä toimintona on halutun sähkömagneettisen (EM) kentän tuottaminen testattavan laitteen ympärille. EM-kentän pitää olla kanavamallin mukainen ja toteuttaa sen häipymä-, tila-, polarisaatio-, doppler- ja viiveominaisuudet. Testijärjestelmän komponentit ja tärkeimmän suunnitteluparametrit pyritään selvittämään tässä työssä.

Tutkimuksessa havaittiin, että ehdotettu karttapohjainen kanavamalli toteuttaa 5G-mallille asetetut vaatimukset. Simuloinnit osoittavat myös, että tyypillisessä kaupunkiympäristössä suosittu GSCM-malli yliarvioi kanavan kapasiteetin monen käyttäjän MIMO-tekniikka käytettäessä. Lisäksi osoitettiin sektoroidun OTA-järjestelmän, jossa hyödynnetään useita antenneja, radiokanavaemulaattoria sekä radiokaiutonta huonetta (MPAC), käyttökelpoisuus 5G-laitteiden testaukseen. Kyseisen testausjärjestelmän parametrit määriteltiin.

3GPP on tärkein foorumi, jolla 5G-standardeja luodaan. Siellä on hiljattain (2016) sovittu 5G-simulointeja varten kanavamalli, joka ei ole tässä työssä ehdotetun kaltainen. Standardoitu malli on tyypiltään GSCM ja se on johdettu suoraan edellisen sukupolven (4G) kanavamallista. Kirjoittaja olettaa tästä GSCM:n nykyisestä vahvasta asemasta huolimatta, että ehdotettu karttapohjainen kanavamalli lisää suosiotaan tulevaisuudessa. Parhaillaan (2017) on 3GPP:n RAN4-työryhmässä käynnissä 5G-päätelaitteiden (UE) testimenetelmien määrittelyvaihe. Väitöskirjassa tutkittua sektoroitua MPAC-menetelmää on ehdotettu työryhmälle standardoitavaksi. Vaikka mainittua menetelmää ei siellä standardoitaisikaan UE-testaukseen, niin voidaan olettaa menetelmän olevan hyödyllinen erityisesti tukiasemien säteilevään testaukseen.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1903-5
ISBN Print: 978-952-62-1902-8
Issue: 656
Subjects:
5G
Copyright information: © University of Oulu, 2018. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.