Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6541
Main Title: Measurement, characterization and modeling of millimeter-wave channels
Subtitle: from 60 GHz to 5G
Translated Title: Messung, Charakterisierung und Modellierung von Millimeterwellen-Kanälen
Translated Subtitle: von 60 GHz bis 5G
Author(s): Peter, Michael
Advisor(s): Stanczak, Slawomir
Referee(s): Stanczak, Slawomir
Kürner, Thomas
Salous, Sana
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Wireless communication and networking have become an important part of our daily lives. New standards and devices promise higher data rates, lower latency and higher reliability. However, there is consensus that the currently used frequency bands below 6 GHz will be insufficient to meet rate requirements of future applications and the growing number of devices. Therefore, the use of frequency resources in the millimeter-wave range is targeted to increase the transmission bandwidths substantially. Apart from the use for fixed directional radio links, millimeter-wave transmission was initially identified as a promising candidate for high-speed wireless networking of multimedia devices in homes. In most countries, 7 GHz of spectrum are available for unlicensed use in the 60 GHz frequency range. With the start of the research on mobile networks of the fifth generation (5G) it became apparent that the consideration of the millimeter-wave spectrum will also be indispensable for future small-cell deployment. Due to the short wavelength, however, the characteristics of the underlying radio channel differ significantly from those at lower frequencies. As a basis for further developments, the investigation of millimeter-wave channels is thus of particular importance. This thesis addresses the measurement, characterization and modeling of millimeter-wave channels in application-specific scenarios inside rooms and vehicles as well as outdoors. Eleven selected publications constitute the core of this work. The introductory chapters put them into the context of the research area and introduce basic concepts and terms, which are helpful for the interpretation of the results. In addition, the channel measurement setups are described. For the measurement campaigns in this work, mainly purpose-built modular setups were used that operate in the time domain and, despite a high measurement bandwidth, allow a very short measuring time. By rapid periodic repetition of the measurement process, this approach allows the acquisition of time-varying channels, or a fine spatial sampling when the receive antenna is moved during the measurement procedure. The resulting large number of acquired channel impulse responses offers decisive advantages for statistical evaluation. A first comparative measurement campaign was conducted in a conference room at 60 GHz with different antenna configurations. The measurements were repeated at 5 GHz to analyze frequency-specific differences. Based on two further measurement campaigns, the propagation characteristics in the passenger cabin of a wide-bodied aircraft and a car are investigated. The environments differ from typical interior spaces not only in their dimensions, but also in the building materials. Shadowing by human bodies can severely affect millimeter-wave communication links. In addition to related evaluations for the above-mentioned measurement campaigns, the impact of human body shadowing on the direct propagation path is therefore systematically investigated and modeled based on dedicated measurements. The investigations of outdoor channels are based on five independent measurement campaigns in urban environments and associated ray tracing simulations. First, the 60 GHz backhaul channel is considered in a residential area. By using directional antennas, multipaths were suppressed during the measurement and a range of several hundred meters could be achieved even with an impaired line of sight. The remaining four measurement campaigns were conducted with regard to microcellular millimeter-wave access scenarios and the investigation of the multipath characteristics of the underlying propagation channel with omnidirectional antennas in street canyons as well as on a city square. A very large number of channel impulse responses were acquired for each environment. Further frequency bands above 6 GHz were considered in addition to 60 GHz. For the latest measurement campaign, focusing on the analysis of the frequency-dependence of channel characteristics, a multi-frequency measurement setup was used that enabled simultaneous measurements of four frequency bands between 10 and 82 GHz. To characterize the channels, the collected data is statistically evaluated and analyzed with respect to specific observations. The focus is on evaluations of the path loss, time dispersion by multipath propagation and the influence of human body shadowing. Models, associated parameters and fundamental conclusions on system design are derived from the results. The findings give information about their dependence on the propagation scenario and transmission frequency. They provide a solid basis for the validation and extension of future channel models.
Drahtlose Kommunikation und Vernetzung sind zu einem wichtigen Teil unseres Alltagslebens geworden. Neue Standards und Endgeräte versprechen stets höhere Datenraten, geringere Latenz und größere Zuverlässigkeit. Allerdings besteht Einigkeit darüber, dass die derzeit genutzten Frequenzbänder unterhalb von 6 GHz nicht ausreichen werden, um den Ratenanforderungen zukünftiger Anwendungen und der wachsenden Anzahl von Endgeräten gerecht zu werden. Deshalb wird die Nutzung von Frequenzressourcen im Millimeterwellenbereich angestrebt, um die Übertragungsbandbreiten substantiell zu erhöhen. Abgesehen vom Einsatz für Richtfunkverbindungen wurde die Millimeterwellenübertragung zunächst als aussichtsreicher Kandidat für eine sehr hochratige drahtlose Vernetzung von Multimedia-Geräten im Heimbereich entdeckt. In den meisten Ländern stehen dafür im 60 GHz-Bereich 7 GHz Bandbreite lizenzfrei zur Verfügung. Mit dem Beginn der Forschung zu Mobilfunknetzen der fünften Generation (5G) zeichnete sich schließlich ab, dass die Berücksichtigung des Millimeterwellen-Spektrums zukünftig auch für kleine Mobilfunkzellen unverzichtbar ist. Aufgrund der kurzen Wellenlänge unterscheiden sich die Eigenschaften der zugrundeliegenden Funkkanäle allerdings signifikant von denen bei niedrigen Frequenzen. Als Grundlage für weitere Entwicklungen kommt daher der Untersuchung von Millimeterwellenkanälen eine besondere Bedeutung zu. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Vermessung, Charakterisierung und Modellierung von Millimeterwellenkanälen in anwendungsspezifischen Umgebungen – sowohl innerhalb von Räumen und Fahrzeugen als auch im Freien. Den Kern der Arbeit bilden elf ausgewählte Publikationen. Die einleitenden Kapitel dienen der Einordnung in das Themengebiet sowie der Einführung von Grundlagen und Begriffen, die zur Interpretation der Ergebnisse hilfreich sind. Darüber hinaus werden die verwendeten Kanalmesssetups beschrieben. Für die Messkampagnen in dieser Arbeit wurden vorwiegend eigens entwickelte modulare Setups benutzt, die im Zeitbereich arbeiten und trotz einer hohen Messbandbreite eine sehr geringe Messdauer ermöglichen. Durch schnelle periodische Wiederholung des Messvorgangs erlaubt dieser Ansatz die Erfassung von zeitveränderlichen Kanälen, beziehungsweise eine feine räumliche Abtastung, wenn die Empfangsantenne während des Messablaufs bewegt wird. Die daraus resultierende hohe Anzahl von erfassten Kanalimpulsantworten bietet entscheidende Vorteile bei der statistischen Auswertung. Eine erste vergleichende Messkampagne wurde in einem Konferenzraum bei 60 GHz mit verschiedenen Antennenkonfigurationen durchgeführt. Die Messungen wurden bei 5 GHz wiederholt, um frequenzspezifische Unterschiede zu analysieren. Basierend auf zwei weiteren Messkampagnen werden die Ausbreitungseigenschaften in der Passagierkabine eines Großraumraumflugzeugs sowie in einem Kraftfahrzeug untersucht. Die Umgebungen unterscheiden sich nicht nur in den Abmessungen von typischen Innenräumen, sondern auch in den verwendeten Materialien. Im Millimeterwellenbereich kann die Abschattung der Sichtverbindung durch Personen die Übertragung stark beeinträchtigen. Neben damit verbundenen Auswertungen für die oben genannten Messkampagnen wird die Abschattung deshalb auf Basis gesonderter Messungen für den direkten Ausbreitungspfad systematisch untersucht und modelliert. Die Untersuchungen der Kanäle im Freien basieren auf fünf unabhängigen Messkampagnen im innerstädtischen Bereich und begleitenden Ray-Tracing-Simulationen. Hierbei wird zunächst der 60 GHz-Backhaul-Kanal mit Richtantennen in einem Wohngebiet betrachtet. Die restlichen vier Messkampagnen wurden im Hinblick auf Millimeterwellen-Access-Szenarien mit kleinen Mobilfunkzellen und die Untersuchung der Mehrwegeeigenschaften des zugrundeliegenden Ausbreitungskanals mit omnidirektionalen Antennen in Straßenschluchten sowie auf einem innerstädtischen Platz durchgeführt. Für jede Umgebung wurde eine sehr große Anzahl von Kanalimpulsantworten aufgezeichnet. Neben 60 GHz wurden weitere Frequenzbänder über 6 GHz berücksichtigt. Für die letzte Kampagne, mit der gezielt die Frequenzabhängigkeit der Kanaleigenschaften analysiert werden sollte, wurde ein Multifrequenz-Messaufbau verwendet. Er ermöglichte die simultane Messung von vier Frequenzbändern zwischen 10 und 82 GHz. Zur Charakterisierung der Kanäle werden die gesammelten Daten statistisch ausgewertet und in Bezug auf besondere Beobachtungen analysiert. Der Fokus liegt dabei auf Auswertungen zum Pfadverlust, der Zeitdispersion durch Mehrwegeausbreitung und dem Einfluss von Abschattung durch Personen. Aus den Ergebnissen werden Modelle, zugehörige Parameter und grundlegende Rückschlüsse auf das Systemdesign abgeleitet. Die Resultate geben Aufschluss über deren Abhängigkeit vom Ausbreitungsszenario sowie der Übertragungsfrequenz. Sie bilden eine verlässliche Grundlage für die Validierung und Erweiterung zukünftiger Kanalmodelle.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7265
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6541
Exam Date: 18-Jul-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 14-Dec-2017
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): wireless propagation
channel sounding
channel model
millimeter-wave
60 GHz
drahtlose Wellenausbreitung
Funkkanalmessung
Kanalmodell
Millimeterwelle
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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