Abstract

In this dissertation, the author has studied how a proof-of-concept (PoC) prototype for 5G millimeter wave (mmW) radio can be built and its performance can be analyzed against tolerances and anticipated product requirements without the guidance of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standard requirements. It was shown in the thesis, that the development of a system-level PoC radio unit resembles closely the development process of the industrial product.

5G mmW radio needs to be tested using over-the- air (OTA) measurements based on the 3GPP standard. However, the 3GPP requirements were not available at the time of the PoC development. Here new measurement methods were developed by the author to test the developed PoC mmW radio.

Among OTA test techniques, error vector magnitude (EVM) measurement opens a new possibility to perform mmW measurements during communication signaling. Additionally, the use of mmW frequencies enables new OTA testing to be performed in an RF laboratory or office environments due to the small signal wavelength. As an example, the noise figure (NF) measurement for a mmW phased array receiver was demonstrated based on OTA EVM measurements in this thesis without expensive noise source equipment. Gain control both in the transmitter and the receiver were adapted to scale the required measurement range down in different OTA scenarios. This enables 5G mmW link range and cell coverage estimations with beam steering without cumbersome long-range outdoor measurements.

The higher 5G mmW frequencies challenge the current manufacturing methods for telecommunication products since the wavelength of the signal is shorter, and the absolute manufacturing tolerances are larger at higher frequencies. The shape of the probability density function of the radio parameters is needed for quality level estimation purposes, and it was proven in the thesis that the antenna input matching follows a log-normal distribution on the dB scale.

The product and measurement system calibration will not correct repeatability and reproducibility errors in the measurements. It was found that a standard deviation of the repeatably of the 5G mmW signal power level with OTA measurement in an RF laboratory or office environment is comparable with inaccuracies of modern OTA chambers for 4G OTA measurements.

Tiivistelmä

Tässä opinnäytetyössä, kirjoittaja on tutkinut, kuinka voidaan rakentaa konseptitodistuslaite (PoC) 5G millimetriaaltoradiosta (mmWave-radiosta) ja analysoida sen suorituskykyä oletettavissa olevien tuote- ja toleranssivaatimusten suhteen ilman käytössä olevia 3rd Generation Partnership Project (3GPP) -standardivaatimuksia. Työssä havaittiin, että järjestelmätason PoC radioyksikön kehittäminen noudattaa hyvin teollista tuotekehitysprosessia.

5G mmWave-radioiden testaus tehdään 3GPP-standardeihin perustuen ilmarajapinnan yli (OTA), joita ei ollut saatavilla PoC radiokehityksen aikana, joten kirjoittaja kehitti uusia mittausmenetelmiä 5G mmWave PoC radion testaamiseen.

OTA mittausmenetelmien joukossa virhevektorin suuruus (EVM) mittaus avaa uusia mahdollisuuksia mmWave radioiden testaamiseen, sillä testausta voidaan tehdä kommunikointisignaalin avulla ilman erityistä laitteen testitilaa. Lisäksi, mmWave taajuuksien käyttö mahdollistaa uusia OTA-mittauksia, joita voidaan suorittaa RF laboratorio- tai toimistoympäristöissä lyhyiden aallonpituuksien takia. Esimerkkinä kohinalukumittaus mmWave vaiheistetulle ryhmävastaanottimelle on demonstroitu käyttäen OTA EVM mittausta ilman kallista kohinageneraattoria. Lähettimessä ja vastaanottimessa on käytetty vahvistuksen säätöä, jotta mittausetäisyyttä on voitu lyhentää eri käyttötilanteissa. Tämä mahdollistaa 5G mmWave taajuisen linkkiyhteyden mittaamisen ja solun kattaman alueen arvioinnin säteenohjauksen kanssa ilman vaivalloisia ulkona tehtäviä pitkän kantaman mittauksia.

Suuremmat 5G mmWave -taajuudet haastavat tietoliikennetuotteiden nykyiset valmistusmenetelmät, koska signaalin aallonpituus on lyhyempi ja absoluuttiset valmistustoleranssit ovat suurempia korkeammilla taajuuksilla. Radioparametrien todennäköisyysjakauman muotoja tarvitaan laatutason estimointia varten, ja työssä osoitettiin, että antennin sisääntulo impedanssisovitus noudattaa log-normaalijakaumaa dB-asteikolla.

Tuotteiden ja mittalaitteistojen kalibrointi ei poista mittausten uusittavuus- ja toistettavuusongelmaa. Työssä havaittiin, että 5G mmWave signaalitehon mittauksen toistettavuuden keskihajontayksikkö oli samassa suuruusluokassa suoritettuna toimisto- tai RF-laboratorioympäristössä kuin nykyisten 4G OTA mittausten epätarkkuus suoritettuna OTA mittauskammiossa.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Leinonen, M. E., Destino, G., Kursu, O., Sonkki, M., & Pärssinen, A. (2018). 28 GHz Wireless Backhaul Transceiver Characterization and Radio Link Budget. ETRI Journal, 40(1), 89–100. https://doi.org/10.4218/etrij.2017-0231

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Leinonen, M. E., Sonkki, M., & Pärssinen, A. (2018). Statistical Measurement System Analysis of Over-The-Air Measurements of Antenna Array at 28 GHz. 12th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2018). https://doi.org/10.1049/cp.2018.0395

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Leinonen, M. E., Tervo, N., Kursu, O., & Pärssinen, A. (2018). Out-of-Band Interference in 5G mmW Multi-Antenna Transceivers: Co-Existence Scenarios. 2018 European Conference on Networks and Communications (EuCNC). https://doi.org/10.1109/eucnc.2018.8443252

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Kursu, O., Leinonen, M. E., Destino, G., Tervo, N., Sonkki, M., Rahkonen, T., … Korvala, A. (2018). Design and measurement of a 5G mmW mobile backhaul transceiver at 28 GHz. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2018(1). https://doi.org/10.1186/s13638-018-1211-5

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Leinonen, M. E., Tervo, N., Sonkki, M., & Pärssinen, A. (2018, September). Quality Analysis of Antenna Reflection Coefficient in Massive MIMO Antenna Array Module. 2018 48th European Microwave Conference (EuMC), 1553-1556. https://doi.org/10.23919/eumc.2018.8541793

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

6. Leinonen, M. E., Sonkki, M., Kursu, O., & Pärssinen A. (2019). 5G mmW Receiver Interoperability with Wi-Fi and LTE transmissions. 2019 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP).

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

7. Leinonen, M. E., Tervo, N., Jokinen, M., Kursu, O., & Pärssinen, A. (2019). 5G mm-Wave Link Range Estimation Based on Over-the-Air Measured System EVM Performance. IEEE MTT-S International Microwave Symposium digest, 8701128, 476-479. https://doi.org/10.1109/mwsym.2019.8701128

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

8. Leinonen, M. E., Jokinen, M., Tervo, N., Kursu, O., & Pärssinen, A. (2019). System EVM Characterization and Coverage Area Estimation of 52G Directive mmW Links. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 67(12), 5282–5295. https://doi.org/10.1109/tmtt.2019.2951773

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

9. Leinonen, M. E., Sonkki, M., Tervo, N., & Pärssinen, A. (2020). Effect of Manufacturing Tolerances on the Antenna Array Performance. Manuscript submitted for publication.