Measuring performance of beamforming in 5G networks
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2022-06-13
Department
Major/Subject
Communications Engineering
Mcode
ELEC3029
Degree programme
CCIS - Master’s Programme in Computer, Communication and Information Sciences (TS2013)
Language
en
Pages
77
Series
Abstract
Beamforming is an essential part of the fifth generation (5G) mobile networks. It enables directing and amplifying signals to the desired directions. In practise this means higher data rates and more spectral efficiency compared to similar systems without beamforming. This thesis presents key features of beamforming and beam management. These are considered in terms of specifications, theory and hardware. In addition, beamforming performance measurements are presented and analyzed. Measurements are performed in a live network. This enables evaluating the performance experienced by real end-users. The measurements aim to determine whether the beamforming is able to obtain the performance expected from the theory. The performance of beamforming in 5G networks was measured with a 5G-capable mobile phone as a terminal. The 5G network used 3.5 GHz frequency band. Measurements considered only downlink which beamforming configuration was adjusted. The measurement methods were both mobile and point-based. The results show that beamforming has a significant effect on received signal strength. Dividing the power into narrower beams increased every time measured power on the measurement route. Therefore, six beams that were maximum for used hardware proved to be the best configuration for the measurement setup. In addition to the horizontal plane, the distribution of beams in the vertical plane was measured. By dividing the power from the horizontal plane to the vertical plane, it was possible to significantly improve the signal strength near the base station. On the other hand, the measured power farther from the base station decreased only slightly because the power was reduced especially from the edges of the cell. This compromise has a major impact, especially in the vicinity of high base stations, where there is also need to serve users further away. Moreover, the horizontal opening angle of a beampattern was studied. Measurements proved that the benefit obtained inside the smaller angle was proportional to the ratio of angles. In other words, the concentration of power with beamforming can be lossless within the measurement accuracy. The measurements as a whole reveal the versatility of beamforming. With a well-designed beamforming configurations, the available power can be efficiently utilized. In this way, the end-user experience can be improved without adding base stations or power.Keilanmuodostus (engl. beamforming) on keskeinen tekniikka viidennen sukupolven (5G) mobiilidatajärjestelmissä. Keilanmuodostus mahdollistaa signaalin kohdentamisen ja vahvistamisen haluttuun suuntaan. Käytännössä tämä tarkoittaa aiempaa suurempia siirtonopeuksia ja spektrin tehokkaampaa käyttöä. Tämä työ esittelee niin keilanmuodostuksen kuin -hallinnan tärkeimpiä ominaisuuksia. Näitä tarkastellaan niin spesifikaation, teorian kuin laitteiston näkökulmasta. Lisäksi keilanmuodostuksen suorituskykymittaukset analysoidaan ja esitellään. Mittaukset on tehty operaattorin tuotantoverkossa. Tämä mahdollistaa todellisen loppukäyttäjän kokeman suorituskyvyn arvioimisen. Mittauksissa pyritään vertailemaan keilanmuodostuksen suorituskykyä teoreettisiin arvioihin ja simulaatioihin. Suorituskykyä mitattiin 5G-verkossa käyttäen päätelaitteena 5G-kykyistä päätelaitetta. Mittauksessa käytetty 5G-verkko toimi 3.5 GHz:n taajuusalueella. Mittaukset koskivat vain alalinkkiä, jonka keilanmuodostusta säädettiin. Keilanmuodostuskonfiguraatioita käytettiin erilaisilla tukiasemilla. Mittaustavat olivat sekä liikkuvia että pistemäisiä. Tulokset osoittavat, että keilanmuodostuksella on suuri vaikutus vastaanotettuun signaalin voimakkuuteen. Tehon jakaminen useampaan pääkeilaan lisäsi joka kerta mitattua tehoa mittausreitillä. Laitteiston mahdollistama maksimimäärä, kuusi keilaa, osoittautui täten parhaaksi konfiguraatioksi mittaustilanteeseen. Myöskin keilojen jakamista horisontaalitason lisäksi vertikaalitasossa tutkittiin. Jakamalla tehoa horisontaalitasosta vertikaalitasoon pystyttiin parantamaan huomattavasti signaalin voimakkuutta tukiaseman lähellä. Toisaalta mitattu teho kauempana tukiasemasta laski vain hieman, koska tehoa vähennettiin erityisesti solun horisontaalisilta reunoilta. Tällä kompromissilla on suuri vaikutus erityisesti korkeiden tukiasemien lähistöllä, missä käyttäjät ovat erilaisten etäisyyksien päässä. Lisäksi säteilykuvion horisontaalista avautumiskulmaa tutkittiin. Mittauksissa todettiin, että signaalin voimakkuus on suoraan verrannollinen säteilykuvion avautumiskulmaan. Mittaukset kokonaisuudessaan paljastavat keilanmuodostuksen monipuolisuuden. Hyvin suunnitelluilla keilanmuodostuskonfiguraatioilla pystytään parantamaan verkon performanssin ja käytetyn energian suhdetta. Tällä tavoin saadaan parannettua loppukäyttäjän kokemusta lisäämättä tukiasemia tai tehoa.Description
Supervisor
Jäntti, RikuThesis advisor
Setälä, JussiKeywords
beamforming, 5G, MIMO, field measurement
