Photonic-Assisted Beam Steering via Leaky-Wave Antennas for Wireless Communication and Radar

Our globalized world of today requires high speed internet service for an ever-growing number of users. This trend can only be facilitated by a steady increase of communication capacity, especially for mobile and wireless services, which are now ubiquitous and amount to a large portion of network traffic. The next generation of mobile communication (5G) highlights future use case scenarios like high capacity hot-spots and defines key enabling performance parameters for 5G and beyond. Insofar, a 1000-fold capacity increase is projected via raising the bandwidth, number of cells and users as well as the spectral-efficiency. To achieve this goal, the mm-wave spectrum, offering multiple GHz of bandwidth, is very attractive, but necessitates the utilization of new steerable and directive antenna solutions.

This thesis conceives a coherent solution for a 5G hot-spot based on mm-wave leakywave antennas (LWAs) in synergy with Radio-over-Fiber (RoF) fronthaul to offer the necessary fiber distribution. In contrast to digitized RoF, limited by its bandwidth capability, an efficient analog fronthaul is demonstrated, achieving a world-record 100 Gbit/s throughput in the 60 GHz band, by utilizing IF-OFDM coherent RoF transport. In combination with leaky-wave antenna beam scanning, an innovative photonic-assisted antenna solution, that provides multibeam steering with simple radio access units, is also presented. Therefore, periodic LWAs unit cells are investigated to design novel 60 GHz LWAs and 26 GHz LWAs based on laminates. The characterization of the developed PCB LWAs shows a realized gain of up to 15.4 dBi and quasi linear steering via the radio frequency (RF) in excess of 110°. Even a 26 GHz integrated photonic transmitter is demonstrated via the LWA integration of high-speed photodetectors and the further potential for photonic-integrated circuits to yield 2D LWA beam steering is outlined.

The conducted fiber-wireless communication experiments show the flexibility and scalability of the LWA solution, that also enables low ≈ 0.4 ms latency and MAC layer controlled steering via integrated RF transceivers. Moreover, wireless access to 20 users is realized, delivering over 10 Gbit/s throughput using 6.1 GHz bandwidth and a single RF chain, fed via RoF fronthaul. The 5G hot-spot application is demonstrated live as part of a two week field trial, which features the transmission of two 1.5 Gbit/s video streams from a data center over 11 km optical fiber to a mobile unit in a public shopping mall. Additionally, even 10 Gbit/s user data rates are achieved using 32 QAM IF-OFDM signals in a fiber-wireless 60 GHz band link.

Since beam steering for mobile access requires user localization, also a simple FMCW radar scheme for multiple user detection in the LWA coverage sector is developed. This approach is employed for an all photonic radar based on laser chirping, that even provides 3D localization. Finally, an innovative joint OFDM communication-radar system is presented that allows simultaneous wireless access for multiple users and their radar localization. Thereby, the OFDM preamble is exploited as a radar chirp to avoid spectrum division so that 5 × 4 Gbit/s wireless transmission as well as accurate localization is achieved.

Die heutige globalisierte Welt benötigt schnellen Internetzugang für eine immer weiter ansteigende Anzahl von Nutzern. Dieser Trend kann nur durch ein stetiges Wachstum der Kommunikationskapazität, vor allem von mobilen und drahtlosen Diensten, die nun allgegenwärtig sind und einen großen Anteil des Datenaufkommens der Netzwerke ausmachen, fortgesetzt werden. Die nächste Mobilfunkgeneration (5G) zeigt zukünftige Nutzungsszenarien, wie zum Beispiel leistungsfähige Hot-Spots für schnellen Netzzugang, auf und definiert die dafür entscheidenden Leistungsparameter. Insofern wird eine 1000-fache Steigerung der Netzwerkkapazität durch Erhöhung der Bandbreite, Anzahl von Funkzellen und -nutzern, sowie der spektralen Effizienz erwartet. Um dieses Ziel zu erreichen ist die Nutzung des Millimeterwellen-Spektrums besonders attraktiv, da es mehrere GHz an Bandbreite bietet; allerdings erfordert dies aufgrund der höheren Freiraumdämpfung die Verwendung neuartiger Antennenlösungen, die direktiv und steuerbar sein müssen.

Diese Dissertation entwirft eine kohärente Lösung für einen 5G Hot-Spot, basierend auf Leckwellenantennen (LWAn) in Synergie mit Radio-over-Fiber (RoF) Fronthaul, um die notwendige Glasfaserverteilung zu liefern. Im Gegensatz zu digitalisiertem RoF, das durch seine Bandbreitenunterstützung limitiert ist, wird ein effizientes analoges Fronthaul demonstriert, das einen Rekorddurchsatz von 100 Gbit/s im 60 GHz Band durch die Nutzung von IF-OFDM mit kohärentem RoF Transport erreicht. Des Weiteren wird, in Kombination mit Leckwellenantennen zur Strahlschwenkung, eine innovative photonisch-unterstützte Antennenlösung präsentiert, die Mehrfachstrahlsteuerung mit einfachen Funkzugangseinheiten bietet. Dazu werden die Einheitszellen von periodischen LWAn untersucht, um neuartige 60 GHz LWAn und 26 GHz LWAn auf Basis von Hochfrequenzlaminaten zu designen. Die Charakterisierung der entwickelten Leiterplatten-Leckwellenantennen zeigt einen realisierten Antennengewinn von bis zu 15,4 dBi und quasi-lineare Strahlschwenkung von > 110º über die Änderung der Radiofrequenz. Zudem wird durch die Integration von Hochfrequenz-Photodetektoren auf der LWA ein kompakter photonischer 26 GHz Transmitter realisiert und das weitergehende Potential für 2D Strahlsteuerung von LWAn mit photonisch-integrierten Schaltungen dargestellt.

Die durchgeführten Glasfaser-Funk Kommunikationsexperimente zeigen die Flexibilität und Skalierbarkeit der LWA-Lösung, die außerdem niedrige Latenzen von ≈0,4 ms sowie eine Antennensteuerung über die MAC-Schicht von integrierten HochfrequenzTransceivern ermöglicht. Des Weiteren werden 20 mobile Nutzer mit Funkzugang versorgt, wobei über 10 Gbit/s Gesamtdatenrate in einer Bandbreite von 6.1 GHz übertragen werden; dabei wird nur eine einzige Funkübertragungskette, die über RoF Fronthaul angebunden ist, verwendet. Die 5G Hot-Spot Anwendung wird live als Teil eines zweiwöchigen Feldversuchs gezeigt, der die Übertragung von zwei 1.5 Gbit/s Videostreams von einem Rechenzentrum über 11 km Glasfaser zu einem Mobilteil in einem öffentlichen Einkaufszentrum präsentiert. Außerdem werden Nutzerdatenraten von 10 Gbit/s mittels 32 QAM IF-OFDM Signalen über einen Glasfaser-Funk-Link im 60 GHz Band übertragen.

Da Strahlsteuerung für Mobildienste eine Lokalisierung der Nutzer erforderlich macht, wird weiterhin ein einfaches FMCW Radarkonzept für die Detektion mehrerer Nutzer innerhalb des Abdeckungsbereich der LWA entwickelt. Dieser Ansatz wird für ein photonisches Radar auf Basis von Laser-Chirping verwendet, das sogar eine dreidimensionale Ortung erlaubt. Abschließend wird ein innovatives kombiniertes OFDM Kommunikations- und Radarsystem demonstriert, das gleichzeitigen Funkzugang für mehrere Nutzer und deren Radarortung ermöglicht. Dabei wird die OFDM Präambel als Frequenzdurchlauf für die Radarfunktion ausgenutzt um eine Aufteilung des Spektrums zu vermeiden, sodass sowohl eine drahtlose Datenübertragung von 5 mal 4 Gbit/s, als auch eine genaue Lokalisierung erreicht werden.

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