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Over-The-Air (OTA) Measurement Method for MIMO-enabled Mobile Terminals

Feng, Yifei

Over-The-Air (OTA) test methods for performance evaluation play an important role in the certification process of commercial User Equipment (UE) and for admission of UE to cellular networks. Novel OTA test methods and metrics are required for state-of-the-art mobile communication standards such as 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Long Term Evolution (LTE) due to the extensive use of Multiple Input – Multiple Output (MIMO) transmission techniques. The variety of different MIMO operating modes and the almost unlimited choice of possible multi-path channel conditions under which UE performance may be evaluated is not accounted for by established Single Input – Single Output (SISO) OTA performance metrics like Total Isotropic Sensitivity (TIS) and Total Radiated Power (TRP). As pointed out in this dissertation, meaningful metrics and cost effective, low complexity measurement methods can nevertheless be derived by focusing on characterization of the physical attributes of UE and by adopting statistical metrics.
Starting from an overview of existing OTA measurement methods for SISO devices, extensions which are necessary to evaluate UE performance in the different MIMO operating modes which are foreseen in the 3GPP LTE standard are discussed. Relations between UE implementation attributes and the UE performance which is observed in different MIMO operating modes are derived using generic antenna and propagation models. Based on these models existing proposals for OTA test methods are reviewed. Their suitability and the relevance of different implementation aspects therein are discussed.
The main result of this dissertation is a novel MIMO OTA test plan which focuses on the characterization of relevant UE attributes and meets the goals of low complexity and high reproducibility. Two complementary metrics and corresponding measurement procedures for evaluation of MIMO OTA performance are developed in order to address the diversity of possible propagation scenarios. The theoretical results are supported by extensive measurements using preliminary implementations of the proposed method. These include results from an international round-robin measurement campaign for High-Speed Packet Access (HSPA) devices and results from a variety of measurements on LTE devices which were performed at different test sites. Additional validation and investigation of specific aspects is addressed by simulation.

Over-The-Air (OTA) Testverfahren für die Bewertung der Qualität von kommerziellen Endgeräten (User Equipment (UE)) sind von großer Bedeutung im Rahmen der Zertifizierung von UE und der Zulassung zu Mobilfunknetzwerken. Im Zusammenhang mit den aktuellen mobilen Kommunikationsstandards, wie etwa dem 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Standard Long Term Evolution (LTE), sind, aufgrund der Verwendung von Multiple Input – Multiple Output (MIMO) Übertragungstechniken neuartige Metriken und Messverfahren erforderlich. Die Vielfalt der verschiedenen MIMO Betriebsarten und die fast unbegrenzte Auswahl möglicher Kanalbedingungen (Mehrwegeausbreitung), unter denen die Qualität von UE bewertet werden kann, wird von den etablierten Single Input – Single Output (SISO) OTA Metriken Total Isotropic Sensitivity (TIS) und Total Radiated Power (TRP) nicht abgedeckt. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, lassen sich durch Fokussierung auf die Charakterisierung der maßgeblichen physikalischen Eigenschaften des UE sowie Einführung statistischer Metriken dennoch aussagekräftige Metriken und kostengünstige Messmethoden geringer Komplexität gewinnen.
Ausgehend von einem Überblick existierender OTA Testverfahren für SISO Endgeräte werden die Erweiterungen diskutiert, die notwendig sind, um die Qualität von Endgeräten unter den verschiedenen MIMO Betriebsarten, die der Standard 3GPP LTE vorsieht, bewerten zu können. Unter Verwendung generischer Modelle für Antennen und Ausbreitungsszenarien werden Beziehungen zwischen den Eigenschaften von UE und der in den verschiedenen MIMO Betriebsarten zu beobachtenden Emfangsqualität abgeleitet. Darauf aufbauend werden existierende Vorschläge für OTA Testverfahren untersucht. Deren Eignung und die Relevanz der verschiedener Aspekte in ihrer Implementierung werden diskutiert. Das wesentliche Ergebnis dieser Arbeit ist ein neuartiges MIMO OTA Testkonzept, bei dem die Charakterisierung der relevanten UE Eigenschaften im Mittelpunkt steht und welches den Anforderungen geringer Komplexität und hoher Reproduzierbarkeit genügt. Es werden zwei einander ergänzende Metriken definiert und die zugehörigen Testvorschriften vorgestellt, mit dem Ziel die Vielfalt der möglichen Übertragungszenarien abzudecken. Der theoretische Herleitungen werden durch umfangreiche Messungen mit vorläufigen Implementierungen des vorgeschlagenen Testkonzeptes unterstüzt. Dazu gehören Ergebnisse aus einer internationalen Round-Robin-Messkampagne für High-Speed Packet Access (HSPA)-Endgeräte und Ergebnisse aus zahlreichen Messungen an LTE Endgeräten, die in verschiedenen Laboren durchgeführt wurden. Eine Zusätzliche Validierung sowie die Untersuchung einiger spezifischer Aspekte erfolgt mit Hilfe von Simulationen.

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Zitierform:

Feng, Yifei: Over-The-Air (OTA) Measurement Method for MIMO-enabled Mobile Terminals. 2013.

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