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Millimeter wave direction of arrival estimation and UE beamforming in a 3D environment

Janßen, Andre

The demand for higher mobile data rates and data volumes has been increased during the recent years. Decreasing prices made many from the wired internet known applications also available on mobile devices. In 2000 the price for 1 Mega Byte (MB) data was more than one euro, in 2018 the price has changed to a fraction of a cent. This makes it possible to transmit higher data volumes mobile, for example movies in High Definition (HD) or even Ultra High Definition (UHD). Also new applications like Virtual Reality (VR) are possible. To provide these higher data rates and data volumes, more bandwidth is required. Nowadays the mobile communication is in the frequency range from 700 MHz to approximately 3 GHz. Even the Digital Video Broadcast (DVB) frequencies have been shifted to provide more bandwidth for the mobile communication. The millimeter Wave (mmW) region supports large and consecutive regions of unused spectrum, which can be used for the mobile communication. Newest developments make it possible to generate and handle frequencies up to 100 GHz. Therefore the interest in mmW has increased. In the recent history, the size of the wavelength was comparable large to the size of the mobile device. With the introduction of mmW, this has changed dramatically. Even a mobile phone has the size of multiple wavelength, which also leads to smaller antennas. In the mobile communication standards up to the 4th Generation (4G), the mobile phone radiates with approximately the same power into every direction. Therefore, the mobile phone has been modeled as a single rotation invariant point, which is not possible in mmW. Regarding to the size of the phone, the phone shields the radiation into some directions, which leads to holes in the spatial coverage. For reliable link level simulation results, this has to be also taken into account, which leads to a 3D modeling of the system. Furthermore, multiple antennas are required to archive a full spherical coverage and therefore the coverage becomes an important performance indicator. The regarding to the wavelength shrinking antennas don’t have only disadvantages. They also offer more efficient antenna systems and also the implementation of antenna arrays on mobile phones is possible. Antenna arrays allow it to steer the radiation into a certain direction. Therefore the regarding to the mmW occurring higher losses can be balanced. To save power and computational effort, the beamforming is done in the analogue domain. This requires a reliable algorithm for the determination of the spatial direction of arrival. The correct estimation of the direction of arrival is the key and also the most challenging task in mmW beamforming. In mmW beamforming only one direction can be measured at the same time. Therefore an elaborate search order has to be chosen. A full end-to-end simulation system is provided in this thesis, including a 3D channel model, which considers all described aspects. Especially the antenna configuration of the phone is explained in detail.

In den vergangenen Jahren ist das Verlangen nach immer größer werdenden mobilen Datenraten und Datenmengen entstanden. Sinkende Preise machten viele aus dem kabelgebundenen Internet bekannte Anwendungen auch mobil verfügbar. Kostete 1 Mega Byte (MB) mobile Daten um die 2000er Jahre noch mehrere Euro, ist dieser Preis 2018 auf den Bruchteil eines Cents gesunken. Dies macht es erschwinglich, auch große Datenmengen mobil zu übertragen, wie z.B. Videos im High Definition (HD)- oder auch Ultra High Definition (UHD)-Format. Auch neue Anwendungen wie zum Beispiel Virtuelle Realität (VR) sind vorstellbar. Um die gewünschten immer größeren Datenmengen und Datenraten zur Verfügung stellen zu können, wird immer mehr Bandbreite benötigt. Heutige Mobilfunkkommunikation findet im Frequenzspektrum von 700 MHz bis ca. 3 GHz statt. Um weitere Frequenzen für den Mobilfunk zur Verfügung zu stellen, wurden z.B. einige Digital Video Broadcast (DVB)-Frequenzen in höhere Frequenzbänder verschoben und für den Mobilfunk freigegeben. Im Millimeterwellen (mmW)-Bereich sind große Teile des Spektrums ungenutzt und somit große zusammenhängende Frequenzbereiche frei für den Mobilfunk. Neueste Entwicklungen machen es möglich, Frequenzen von bis zu 100 GHz parktikabel und wirtschaftlich zu erzeugen und zu verarbeiten. Somit ist das Interesse am mmW-Mobilfunk stark gestiegen. Die Wellenlänge war in der Vergangenheit viel größer als ein Mobilgerät. Mit der Einführung von mmW-Systemen hat sich dies geändert. Selbst ein Handy hat die Größe von mehreren Wellenlängen. Dies führt dazu, dass auch die verwendeten Antennen kleiner werden. In den bereits verwendeten Mobilfunkstandards, bis hin zu 4G, strahlt das Handy relativ gleichmäßig in alle Richtungen. Daher wurde das Handy in Simulationen als rotationsinvarianter Punkt modelliert. In mmW-Systemen ist dies nicht mehr möglich. Aufgrund der Größe des Handys schirmt dieses die Strahlung in einige Richtungen ab, somit entstehen Lücken in der Signalabdeckung. Für zuverlässige Simulationen muss dies berücksichtigt werden, somit wird eine 3D Modelierung notwendig. Weiterhin sind für eine gesamte räumliche Abdeckung mehrere, in unterschiedliche Richtungen ausgerichtete Antennen notwendig. Somit wird die räumliche Abdeckung eine wichtige Kenngröße. Die, bezogen auf die Wellenlänge, kleiner werdenden Antennen bieten nicht nur Nachteile. Sie erlauben es erstmals, effizientere Antennensysteme und Antennenarrays auf einem Handy zu implementieren. Antennenarrays erlauben es, die Abstrahlung variabel in eine bestimmte Richtung zu lenken. Somit können die höheren Verluste, welche durch die mm-Wellen entstehen, ausgeglichen werden. Um Energie und Rechenaufwand zu sparen, wird die Strahlformung in der analogen Ebene durchgeführt. Dies erfordert einen zuverlässigen Algorithmus zur Bestimmung der räumlichen Strahlposition. Die korrekte Bestimmung der Richtung des ankommenden Signals ist dazu der Schlüssel und zugleich die größte Herausforderung. Da bei der analogen Strahlformung immer nur eine räumliche Position gemessen werden kann, ist es das Ziel die richtigen Positionen herauszufinden und in einer durchdachten Reihenfolge zu überprüfen. In dieser Arbeit wird die Simulation eines vollständigen Ende-zu-Ende-Systems inklusive eines 3D-Kanalmodells, welches die oben beschriebenen Aspekte berücksichtigt, beschrieben. Besonders detailliert wird auf die Antennenkonfiguration des Handys eingegangen.

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Janßen, Andre: Millimeter wave direction of arrival estimation and UE beamforming in a 3D environment. 2019.

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