Antennikeilanohjausmenetelmät millimetrialueen taajuuksia käyttävälle piensoluverkon runkokytkennälle Teemu Veijalainen

Sisällysluettelo Piensoluverkon runkokytkentä (small cell backhaul) Langattomat piensoluverkon runkokytkennän (backhaul) ratkaisut Antennikeilanohjaus Systeemin esittely Tehdyn työn esittely Testit ja tulokset

Piensoluverkon runkokytkentä Piensoluverkot ovat yksi ratkaisu tulevaisuuden mobiiliverkkojen tarpeisiin Piensoluverkkojen runkokytkennällä tarkoitetaan ns. alkupään yhteyttä (”first/last mile access”) kohti runkoverkkoa Piensoluverkkojen tukiasemat asennetaan epätavallisiin sijainteihin Lyhtypylväät Katujen seinät Vaatimukset ja haasteet Halpa hinta Kapasiteetti Saatavuus Synkronointi Laitteen rakenne Viive

Piensoluverkon runkokytkennän langattomat teknologiat Paljon eri ratkaisuja Millimetrialueen taajuudet Usea gigahertsi matalahintaista spektriä E-kaista 57-64 GHz lisensoimaton V-kaista 71-76 ja 81-86GHz kevyesti lisensoitu Hyvä taajuuksien uudelleenkäyttö ja pieni interferenssi Korkeat signaalivaimennukset Korkeat antennivahvistukset Kapeat antennikeilat Suora yhteys (Point-to-point) ilman esteitä (Line-of-Sight) Mikroaaltoalueen taajuudet 6-60 GHz Kapasiteetti 1 Gbps asti Alue lisensoitu Point-to-multipoint Linkki-lisensoitu Point-to-point Alle 6 Ghz Lisensoimattomat taajuudet (WLAN) Lisensoidut taajuudet (esim. In-band LTE) Ei vaadi esteetöntä reittiä radiolinkille Kapasiteetti noin muutama sata Mbps

Millimetrialueen piensoluverkon runkokytkentä Topologioita Point-to-point Ring Tree Mesh “Plug and Play” → Pienet kustannukset Itsestään optimoituva Itsestään parantuva Itsestään konfiguroituva Antennikeilanohjaus Automaattinen yhteyden muodostaminen Vibraation kompensointi

Antennikeilanohjaus (Beam Steering) Integrated lens antenna (ILA) Diskreetti antennikeilan suunta Vakio keilanleveys Yksinkertainen Beamforming -tekniikka Muunneltava keilanleveys Monimutkainen Vibraation kompensointi Suunnan estimointi (Orientation estimation) Periodiset mittaukset Automaattinen yhteyden muodostaminen 802.11 ad käyttää beamforming -tekniikkaa Kaikkien keilojen läpikäynti ILA:lla

Millimetrialueella toimivan piensoluverkon runkokytkentälaitteen kuvaus Millimetrialueen antennijärjestelmä ILA 4x16 Antennikeilat Noin 2.5 asteen keilanleveys Noin 20 dBi antennin vahvistus Beam Steering Processor (BSP) Vibraation kompensointi (BSP) RSSI Liike-estimointi Automaattinen yhteydenmuodostus (HLP)

Tehty työ Vibraatiokompensointi menetelmien suunnittelu ja toteutus ja testaus RSSI -mittausmenetelmä Liike-estimointimenetelmä Yhdistetty menetelmä BSP:n ja sen lisälaitteiden ohjelmointi Sensori LED -matriisi LCD -näyttö MATLAB GUI MATLAB käyttöliittymän ja sen funktioiden suunnittelu ja toteutus Menetelmien ja BSP:n tutkiminen Visualisointi

Vibraation kompensointi liike-estimoinnilla Suunniteltu lamppupylvään kaltaisille rakenteille Sivuttainen heiluminen on merkityksetöntä Pystysuunnassa maksimi heiluminen on noin keilanleveys Antennikeila vaihdetaan liike-estimoinnin perusteella Orientaatiosensori antaa liike-estimaattien kulmat (yaw, pitch, roll)

Vibraation kompensointi RSSI -mittauksilla Käytössä olevan antennikeilan viereiset antennikeilat mitataan tasaisin väliajoin Antennikeilat mitataan estimoidun liikkeen suunnalta vain silloin kun liike tunnistetaan

Mittaukset Automaattinen yhteyden muodostaminen ilman HLP:tä Vibraatiokompensointi menetelmät Tulosten analysointi MATLAB työkalulla Testit tehtiin pyörittämällä laitetta pylvään päässä joka on suunniteltu vibraatiokompensoinnin testausta varten Testit tehtiin antennimatriisin alimman rivin antennikeiloilla

Automaattinen yhteyden muodostus Kuusi eri laitteen asentoa Yhteys onnistuttiin muodostamaan jokaisella testillä Epäyhteydenmukaisuuksia eri testien välillä Joillain keiloilla hyvä eristys (ylempi kuva) Joillain keiloilla huonompi eristys (alempi kuva) Syitä tulosten epäyhteydenmukaisuuteen Epätasaisesti antennivahvistukset Heijastukset Antennisysteemin tunnetut viat

Vibraatiokompensointi Yhdistetty menetelmä toimi parhaiten ja liike-estimointimenetelmä huonoiten Mittausten epäyhteydenmukaisuudesta johtuen tulokset ovat vain suuntaa-antavia

Vibraatiokompensointimenetelmien hyvät ja huonot puolet (1/2) Liike-estimointimenetelmällä on useita eri ongelmia Radiolinkin toisen pään antennikeilan suunnan tarkka arviointi Käytetyn antennisysteemin ongelmat kuten antennivahvistusten epätasaisuus, vahvat sivukeilat sekä antennikeilojen sijainnin poikkeavuudet Menetelmän täytyy tuntea asennussijainnin käyttäytyminen sen heiluessa RSSI –mittausmenetelmä Vahvat sivukeilat Huono antennivahvistus kahden hyvän antennikeilan välissä Jatkuvat mittaukset syövät kapasiteettia Asennus-sijainnista riippumaton vibraatiokompensointi Yhdistetty menetelmä Liike-estimointi kestää virheitä, mutta tarvitsee jotain tietoa asennus-sijainnin käyttäytymisestä Pystyi ylittämään huonot keilat Tekee mittauksia harvemmin kuin RSSI –menetelmä

Vibraatiokompensointimenetelmien hyvät ja huonot puolet (2/2)

Johtopäätökset Systeemi toimii tietyissä olutsuhteissa, mutta vaatii paljon jatkokehitystä Vibraatiokompensointimenetelmät tulisi toteuttaa mittausten perusteella RSSI –mittausmenetelmä saattaa olla paras vaihtoehto testatuista menetelmistä vaikka yhdistetty menetelmä antoi parhaat mittaustulokset Vibraatiokompensointi ei voi olla asennuspaikasta riippuvainen Paremmin toimivalla antennisysteemillä RSSI –menetelmällä todetut ongelmat todennäköisesti poistuisivat Mittaukset tarvitsevat feedback –kanavan jolla ilmoittaa toisille laitteille milloin mittaukset halutaan tehdä Menetelmän kehitys jolla tunnistetaan mittausten tarpeellisuus: esimerkiksi RSSI -mittaus ja liikkeen-tunnistus ilman liikkeen suunnan estimointia

Kiitos!