Environmental Effects on 5G mmW Long-range Performance

Abstract

Currently, optical fiber is used to implement high-speed broadband access to distant locations. In most cases, however, the fiber needs to be dug underground which is both costly and time-consuming. The new 5th generation mobile network technology enables multiple new use cases, one of them being long-range connection in millimeter wave area. This technology is called Fixed Wireless Access (FWA). FWA can be used to replace optical fiber wirelessly with fixed antennas. However, FWA poses a problem. The performance of long-range millimeter waves can be affected by weather in a year-round use case.

The purpose of this thesis is to test the performance of millimeter wave long-range features in different environmental conditions, assess the effect of weather, and evaluate its feasibility to replace optical fiber in certain use cases. To evaluate the feasibility, a field test network is built, field measurement data between the radio unit and a CPE is gathered in different weather conditions, and the measurement data is analyzed with MATLAB and compared to the simulated data.

The measurement data from field tests provide accurate information about how the environment affects the performance of long-range millimeter waves. Based on the results, the FWA features implemented in the software can be used to boost the signal quality, as well as augment the cell range up to over 10 kilometers. The environment does affect the performance. However, the effects can be reduced with the FWA features. Moreover, both the radio unit and the CPE have built-in procedures to combat path loss, which can be further enhanced by ensuring line-of-sight, staying clear of foliage, and verifying the alignment of the CPE.

Valokuitua käytetään nykyisin korkeanopeuksisen datayhteyden luomisessa esikaupunkialueille ja maaseudulle. Valokuitu täytyy kuitenkin kaivaa maan alle, joka on sekä kallista, että aikaa vievää. Viidennen sukupolven mobiiliverkkoteknologia mahdollistaa useita uusia käyttötarkoituksia, joista yksi on pitkän kantaman millimetriaallot. Tätä teknologiaa kutsutaan kiinteäksi langattomaksi yhteydeksi. Kiinteää langatonta yhteyttä voidaan hyödyntää korvaamaan valokuitu langattomasti, kiinteillä antenneilla. Kiinteän langattoman yhteyden ympärivuotisessa käytössä on kuitenkin otettava huomioon ympäristövaikutukset pitkän kantaman millimetriaaltojen suoritustehoon.

Tämän diplomityön tarkoitus on tutkia pitkän kantaman millimetriaaltojen suoritustehoa eri sääoloissa, ja arvioida sen soveltuvuutta korvaamaan valokuitu. Käyttökelpoisuuden määrittämiseksi rakennetaan kenttätestiverkko, josta kerätään dataa tukiaseman ja kiinteän terminaalin välillä eri sääolosuhteissa. Kenttätestiverkosta kerätty data analysoidaan MATLABilla ja sitä verrataan simuloituun dataan.

Mittausdata kenttätestiverkosta tarjoaa tarkkaa tietoa siitä, miten ympäristötekijät vaikuttavat pitkän kantaman millimetriaaltoihin. Tulosten perusteella 5G ohjelmistoon toteutetut kiinteän langattoman yhteyden ominaisuudet parantavat signaalin laatua ja kasvattavat kantamaa jopa kymmeneen kilometriin asti. Ympäristön vaikutusta suoritustehoon voidaan lieventää kiinteän langattoman yhteyden ominaisuuksilla. Lisäksi tukiasema ja kiinteä terminaali pyrkivät vähentämään etenemisvaimennusta yhteysvälillä. Etenemisvaimennuksen vaikutusta voidaan edelleen vähentää näköyhteydellä tukiaseman ja kiinteän terminaalin antennipaneelin välillä, välttämällä lehvistöä etenemisreitillä, ja varmistumalla kiinteän terminaalin antennipaneelin oikeasta suuntauksesta.