Antennikeilanohjausmenetelmät millimetrialueen taajuuksia käyttävälle piensoluverkon runkokytkennälle

Abstract

Mobiiliverkkojen dataliikenne kasvaa jatkuvasti. Tulevaisuuden mobiiliverkot kohtaavat uusia haasteita täyttääkseen jatkuvan kasvun asettamat vaatimukset. Yksi mahdollinen tapa parantaa mobiiliverkkojen suorituskykyä on piensoluverkkojen hyödyntäminen, joissa tukiasemat sijaitsevat lähellä toisiaan. Piensoluverkkojen tukiasemat asennetaan epätavallisiin sijainteihin kuten katuvaloihin ja rakennusten seiniin. Piensoluverkkojen tukiasemien epätyypilliset sijainnit asettavat uusia haasteita verkon runkokytkennän toteuttamiselle. Potentiaalinen ratkaisu piensoluverkkojen runkokytkennän toteuttamiseksi on millimetrialueen taajuuksien hyödyntäminen. Millimetrialueen taajuuksilla tarkoitetaan tässä yhteydessä 60 ja 70/80 GHz taajuuksia jotka tarjoavat usean gigahertsin lisensoimatonta ja kevyesti lisensoitua taajuuskaistaa. Millimetrialueen taajuuksilla on korkeat signaalivaimennukset. Teknologiat näillä taajuuksilla tarvitsevat korkean antennivahvistuksen vaimennusten kompensoimiseen. Tämä tarkoittaa sitä että antennin keilanleveys on erittäin kapea. Kapeat antennikeilat tarvitsevat antennikeilan ohjausmenetelmiä muun muassa tuulesta aiheutuvan vibraation kompensoimiseen ja yhteyden muodostamiseen automaattisesti toisen kapeakeilaisen laitteen kanssa, jotta radiolinkkiä ei tarvitse kohdistaa manuaalisesti. Tämän opinnäytetyön päätavoite on kehittää antennikeilan ohjausmenetelmiä Nokia Solutions and Networksin kehittämään millimetrialueen taajuuksilla toimivalle piensoluverkon runkokytkentälaitteelle. Työn tulokset vahvistivat konseptin toimivuuden ja antoivat lupaavia tuloksia antennikeilan ohjausmenetelmien jatkokehitykselle.

The mobile data volumes are constantly increasing setting new challenges for the networks to keep up with the demand. One source of improved network performance comes with the extreme cell densification also known as small cells. The small cell deployment creates new challenges for the backhaul. As the small cells are located in city areas of high demand in unconventional installation sites such as lamp posts and building walls; the provisioning of the conventional wired backhaul might be unreasonable. Potential solutions for the small cell backhaul are technologies utilizing millimeter-wave frequencies on 60, 70/80 GHz providing several gigahertz of low cost spectrum. The millimeter-wave frequencies need narrow antenna beams, less than a few degrees, to compensate the high signal attenuations on these frequencies. The narrow beam radio links need vibration compensation mechanisms to compensate the sways and twist of the installation structure caused by wind. Additionally, the narrow beam radio links should automatically establish the connection to avoid time consuming and expensive manual link alignment. Therefore, beam steering is needed denoting that the device can switch the direction of the antenna beam. The main scope of this master’s thesis is to identify the possibilities, challenges and limitations of the potential beam steering methods. The practical part of this thesis included implementation of the beam steering functionalities to a proof-of-concept millimeter-wave small cell backhaul system developed by Nokia Solutions and Networks. The author’s conducted tests confirmed the functionality of the methods and provided suggestions for the future development of the system.