Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1735
Main Title: Experimental Investigations on Stochastic Space-Time Channel Characteristics at 60 GHz Using an Antenna Array
Translated Title: Experimentelle Untersuchungen über stochastische Charakteristiken des Raum-Zeit-Funkkanals im 60 GHz Frequenzbereich unter Verwendung eines Antennenarrays
Author(s): Choi, Moon-Soon
Advisor(s): Boche, Holger
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Um stetig steigende Bandbreitenanforderungen zu genügen, können künftige Mobilkommunikationssysteme die räumliche Informationen des Funkkanals ausnutzen. Hierzu sind genaue Kenntnisse über die Raum-Zeit Struktur des Funkkanals erforderlich. Zudem ist die Bandbreitenknappheit in niedrigen Frequenzbereichen eine grundlegende Beschränkung bei der Neuentwicklung von Breitbandmobilfunksystemen. Funkwellen im mm-Bereich insbesondere im 60 GHz Frequenzbereich werden dadurch interessant u.a. aufgrund der Größe der zur Verfügung stehenden Bandbreite (ca. 5 GHz), der kleinen Antennenabmessungen (günstig für Kompaktgeräte) und des kleinen Wiederverwendungsabstands von Frequenzen. Einblicke in die Struktur des Raum-Zeit-Funkkanals für das anvisierte Frequenzband können durch experimentelle Untersuchungen gewonnen werden. Die vorliegende Dissertation behandelt die Indoor-Funkkanal-Messung und statistische Analyse der Impulsantworten (CIR) des zeitinvarianten breitbandigen Raum-Zeit-Funkkanals im 60 GHz Frequenzbereich unter Verwendung eines Antennenarrays. Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit dem Problem der Kanalrekonstruktion, wenn breitbandige Funkkanalmessungen mit einem Schmalbandsystem ohne perfekte Synchronisation der Oszillatoren durchgeführt werden. Die Synchronisation der Oszillatoren wird bei der Funkkanalmessung üblicherweise unter Verwendung einer hochpräzisen Referenzquelle ausgeführt. Wenn eine solche Referenzquelle nicht zur Verfügung steht und die benutzten Komponenten nur für Schmalbandmessungen geeignet sind, kann eine breitbandige Funkkanalmessung durch das Zusammensetzen von stückweise gemessenen Unterkanälen erreicht werden. Die Unterkanäle sind jedoch individuell durch zufällige Phasenoffsets gestört, so dass die zusammengesetzten Funkkanäle nicht die korrekten CIRs darstellen. Es werden Methoden zur korrekten Rekonstruktion der Unterkanäle im Hinblick auf Phasenoffsets betrachtet. Dazu werden zwei Kompensationsmethoden untersucht: Die Extrapolations- und die Überlappungsmethode. Diese Methoden werden bzgl. der Durchführbarkeit analysiert. Ferner werden Verbesserungsaspekte speziell für das vorgesehene Messsystem vorgeschlagen. Die Kompensationsfehler werden durch einfache mathematische Analyse angegeben und die Leistungsfähigkeit der betrachten Methoden wird anhand von Simulationen überprüft. Der zweite Teil befasst sich mit experimentellen Untersuchungen und statistischer Analyse. Das gesamte Messsystem wird durch Verwendung eines 60 GHz Patch Antennenarrays zur Azimuthwinkeldomäne erweitert. Die Messkampagnen werden in den Korridoren eines Bürogebäudes mit einer RF-Messbandbreite von ca. 1 GHz durchgeführt. Wichtige Parameter wie Pfadgewinn, Verzögerungszeit und Azimuthwinkel sind aus den Messdaten mittels des SAGE-Algorithmus extrahiert. Eine statistische Analyse der Parameter wird ausgeführt und die Charakteristika werden diskutiert. Als Ergebnisse werden sowohl die Kanalparameter wie z.B. Zeitdispersion (delay spread), Kohärenzbandbreite, K-Faktor und Winkeldispersion (azimuth spread), als auch die empirischen stochastischen Kanalmodelle, z.B. die Leistungsspektren (PAS und PDS) bzw. die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen für relative Verzögerungszeit und Azimuthwinkel dargestellt.
To cover steadily growing bandwidth requirements, future wireless communication systems could utilize spatial information of the propagation channels. For this, accurate knowledge of the space-time propagation channel structure is essential. Furthermore, the bandwidth shortage at lower frequencies is a primary limitation to development of broadband wireless systems. Therefore, mm-wave frequencies, especially in the 60 GHz frequency band, are interesting due to large available bandwidth (about 5 GHz), small antenna size (wavelength 5 mm) - favorable to compact devices - and small frequency reuse distance. Insights into the space-time propagation channel structure for the envisaged frequency band can be gained through experimental investigations. This dissertation deals with the indoor measurement and statistical analysis of time-invariant wideband space-time propagation channel impulse responses (CIR) in the frequency range at 60 GHz using an antenna array. The first part of this dissertation focuses on the channel reconstruction problem when wideband measurement is to be performed with a narrowband system that provides no perfect synchronization of oscillators. For propagation channel measurement, the synchronization of oscillators is usually carried out by applying a high precision reference source. If such a reference source is not available and the components to be used are limited to narrowband measurement, wideband measurement can be achieved by consecutive measurement of sub-channels and concatenation. However, the sub-channels suffer from individual random phase offsets, so that the concatenated channels would not represent the correct CIRs. The methods for proper reconstruction of sub-channels with respect to phase offsets are considered. More specifically, two compensation methods are investigated: the extrapolation and the overlap method. The methods are analyzed in terms of their feasibility. Moreover, improvement aspects specific to the intended measurement system are proposed. The compensation errors are expressed by means of simple mathematical analysis and performance of the methods is examined by simulative error analysis. The second part is concerned with experimental investigations and statistical analysis. The overall measurement system setup is extended to the spatial domain using a 60 GHz patch antenna array. The measurement campaign is conducted in the corridors of an office building with a measurement RF-bandwidth of about 1 GHz. Parameters such as path gain, propagation delay and azimuth angle are extracted from the data provided by the measurement campaign using SAGE algorithm. Then, statistical analysis of the parameters is performed and their characteristics are discussed. As results, statistical characteristics of channel parameters such as delay spread, coherence bandwidth, K-factor and azimuth spread as well as empirical stochastic channel models like power spectra (PAS and PDS) and probability density functions for relative delays and azimuth angles are shown.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-17040
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2032
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1735
Exam Date: 21-Nov-2007
Issue Date: 19-Dec-2007
Date Available: 19-Dec-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): 60 GHz
Antennenarray
Empirische Charakteristiken
Indoor Raum-Zeit-Funkkanal
Kanalrekonstruktion
60 GHz
Antenna array
Channel reconstruction
Empirical characteristics
Indoor space-time channel
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