Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5598
Main Title: Channel investigation of outdoor millimeter-wave access links
Translated Title: Kanaluntersuchung von urbanen Millimeter-Wellen Funkverbindungen
Author(s): Weiler, Richard Jürgen
Advisor(s): Stanczak, Slawomir
Referee(s): Stanczak, Slawomir
Maltsev, Alexander
Ando, Makoto
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This thesis presents measurements, characterizations and modeling approaches of the outdoor millimeter-wave access channel. More specifically, in this thesis I address an overlay concept for millimeter-wave 5G networks and corresponding channel measurement campaigns. These campaigns were planned and executed with an approach that focuses on fine spatial and temporal sampling of the channel. This differs from other reported measurements, which mostly rely on mechanically steerable high gain antennas. The approach chosen in this work greatly reduces the measurement time needed to obtain a channel snapshot from minutes to the order of microseconds, thereby enabling the acquisition of a large number of spatial samples. These samples are an important basis to derive statistically valid information, e.g. on the path loss and dynamic shadow fading caused by the environment. This comes at the price of no inherently available angular information. In this work, a general concept for millimeter-wave based 5G mobile radio access networks is introduced. The channel measurements and modeling approaches presented here focus on urban outdoor access scenarios, which are seen as the most challenging outdoor environments due to the dense nature of the surroundings and high number of users. Two measurements in urban street canyons and open square scenarios are reported, one at 60 GHz and the other at 10 and 60 GHz carrier frequency simultaneously. Another measurement campaigns focused on ground reflection properties for distances up to 1 km at 60 GHz. A fourth campaign was performed using an electronically steerable 64-element antenna array, focusing on human body shadowing mitigation. The last measurement campaign in this work investigates the impact of dynamic shadow fading, caused by cars, buses and pedestrians in a 28 GHz access scenario. Two types of channel models are derived based on the measurements. A path loss model and parameters are introduced that generate instantaneous path loss values. A more sophisticated model, the quasi-deterministic model, is also introduced. This model uses a description of the environment to generate spatially consistent impulse responses with angular resolution. The most dominant components of the impulse response are explicitly expressed, while others, such as random reflections and shadow fading from moving objects are modeled as stochastic processes. The properties of these processes, e.g. the strength of human body blockage or the duration of shadowing events, are derived from the measurement results. In this work I also present a hardware concept for the implementation of electronic beam switching. This concept allows the parallelization of multiple transmit amplifiers to mitigate the low achievable output power of today's devices. The direction of the switchable beams can be configured arbitrarily to cover an area of interest, as might be needed on the base station side of small cell deployments.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Messung, Charakterisierung und Modellierung des Millimeterwellen-Funkkanals zwischen mobilen Kommunikationsendgeräten und der Mobilfunkinfrastruktur. Dabei wird ein Konzept für Mobilfunknetze der fünften Generation (5G) zugrunde gelegt, bei dem das Millimeterwellen-Spektrum als zusätzliche Schicht über bestehenden Netzen der vierten Generation genutzt wird, um die Datenübertragungskapazität dort zu erhöhen, wo der Bedarf tatsächlich besteht. Die in dieser Arbeit beschriebenen Messkampagnen wurden dahingehend entwickelt, diese Funkkanäle mit einer feinen räumlichen und zeitlichen Auflösung abzutasten und unterscheiden sich darin von anderen veröffentlichten Arbeiten, in denen vorwiegend mechanisch rotierte Richtantennen mit hohem Antennengewinn und entsprechend kleinen Öffnungswinkeln zum Einsatz kamen. Der Ansatz in der vorliegenden Arbeit führt zu einer Reduzierung des Zeitaufwandes für die Messung einer Kanalimpulsantwort in den Bereich von Mikrosekunden. Damit wird die Messung einer großen Zahl von räumlich verteilten Impulsantworten möglich. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die Ableitung verlässlicher statistischer Werte, wie zum Beispiel des Pfadverlusts. Erkauft wird dieser Vorteil mit dem Fehlen von inhärent verfügbaren Richtungsinformationen. In dieser Arbeit liegt der Fokus auf dem Zugangsnetz außerhalb geschlossener Räume in innerstädtischen Ballungsgebieten, da diese Umgebung zum einen als schwierig aus funktechnischer Sicht gilt, zum anderen jedoch durchaus als eine der ersten Umgebungen mit der neuen Technologie versorgt werden könnte. Zwei Messkampagnen wurden in einer typischen urbanen Häuserschlucht, sowie auf einem innerstädtischen Platz durchgeführt, eine bei 60 GHz Trägerfrequenz und die andere gleichzeitig bei 10 GHz und 60 GHz. Eine weitere Messkampagne hatte die Untersuchung von Bodenreflexionseigenschaften bei Entfernungen bis zu 1000 Metern bei 60 GHz zum Ziel. In einer vierten Messkampagne wurde ein elektronisch steuerbares 60-GHz-Antennenarray mit 64 Antennenelementen genutzt, um Ausweichmöglichkeiten bei Abschattung der Funkverbindung durch Menschen zu untersuchen. Die letzte Messkampagne in dieser Arbeit untersucht den Einfluss einer urbanen Umgebung, darunter die Abschattung durch Fahrzeuge und Fußgänger bei 28 GHz. Zwei Kanalmodelle werden basierend auf den Messergebnissen abgeleitet. Ein Pfadverlustmodell wird vorgestellt, das die augenblickliche Dämpfung des Kanals berechnet. Das quasi-deterministische Kanalmodell wird als komplexeres Modell eingeführt, mit dem räumlich konsistente Kanalimpulsantworten mit Richtungsauflösung berechnet werden können. Dabei werden die dominanten Anteile der Wellenausbreitung explizit formuliert und die weiteren Komponenten, wie zum Beispiel Reflexionen an bewegten Objekten als stochastische Prozesse hinterlegt. Die Eigenschaften dieser Prozesse, wie zum Beispiel die Stärke der Dämpfung durch den menschlichen Körper können aus den Messkampagnen abgeleitet werden. Den Abschluss der Arbeit bildet ein Konzept für eine elektronisch steuerbare Strahlumschaltung. Dieses Konzept erlaubt die Parallelisierung mehrerer Sendeleistungsverstärker, um die begrenzte Ausgangsleistung heutiger integrierter Leistungsverstärker zu umgehen. Die einzelnen Richtungen der Ausgänge der Strahlumschaltung kann dabei frei gestaltet werden, um beispielsweise dem Installationsort einer kleinen Basisstation (sog. Small Cell) optimiert angepasst zu werden.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6014
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5598
Exam Date: 26-Sep-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 2-Dec-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): wireless propagation
channel sounding
millimeter-wave
drahtlose Wellenausbreitung
Funkkanalmessung
Millimeter-Welle
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