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Millimeter wave wireless communication: initial acquisition, data communication and relay network investigation
Song, Xiaoshen
Wireless communication has become an important part of our daily lives. In the past decades, the phenomenal increasing demand for mobile wireless data services has been pushing both industry and academia to move to millimeter wave (mmWave) frequencies (30-300GHz) for the next generation (5G) mobile communication. The main motivation for mmWave communication is the unprecedented massive bandwidth (multi-GHz) which can offer multi-Gbps data rates for each mobile devices. However, mmWave signals experience high path loss, directivity and blockages, which severely limits the network performance.
The goal of this thesis is to clearly incorporate all the new features at mmWave frequencies, on top of which to provide new state of the art schemes regarding different communication phases. Specifically, this thesis contains four main contributions.
First, we propose an efficient beam alignment (BA) scheme for mmWave OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) systems. Second, we further explore single-carrier (SC) operation mode at mmWave frequencies and propose a new BA scheme for mmWave SC systems. Third, we define two HDA antenna architectures which can be regarded as two ``extreme'' cases, i.e., the fully-connected (FC) architecture and the one-stream-per-subarray (OSPS) architecture. We propose a joint performance evaluation of the initial BA, the consequent data communication as well as the hardware impairments. Fourth, we extend our work to relay networking to further increase the communication range at mmWave frequencies.
Drahtlose Kommunikation ist zu einem wichtigen Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden. Die Nachfrage nach mobilen Datendiensten ist in den letzten Jahren massiv gestiegen. Dies hat sowohl die Industrie als auch die Wissenschaft dazu veranlasst, für die Mobilkommunikation der nächsten Generation (5G) auf Frequenzen im Bereich der Millimeterwellen (mmWave, 30-300GHz) umzusteigen. Die Hauptmotivation für die mmWave-Kommunikation ist die Verfügbarkeit einer enormen Bandbreite (mehrere GHz). Diese ermöglicht Datenraten von mehreren Gbps für mehrere Mobilfunkendgeräte. Bei mmWave-Signalen treten jedoch hohe Pfadverluste, sehr spezifische Richtcharakteristiken und Blockierungen auf, was die Netzwerkleistung stark einschränkt.
Ziel dieser Arbeit ist es, alle neuen Eigenschaften bei mmWave-Frequenzen klar einzubeziehen und darüber hinaus neue hochmoderne Algorithmen für verschiedene Phasen der Kommunikation bereitzustellen. Insbesondere enthält diese Arbeit vier Hauptbeiträge.
Zunächst stellen wir einen effizienten Algorithmus für die initiale Ausrichtung von Antennencharakteristiken (im Englischen beam alignment - BA) für mmWave orthogonal frequency division multiplexing-Systeme (OFDM-Systeme) vor. Zweitens untersuchen wir den Einträger-Betriebsmodus (single carrier - SC) bei mmWave-Frequenzen. Drittens definieren wir zwei spezifische Strukturen der HDA-Architektur, die als zwei Extremfälle angesehen werden können. Diese sind die vollständig verbundene (fully connected - FC) Architektur und die Ein-Signalpfad-pro-Subarray-Architektur (one stream per subarray - OSPS). Wir betrachten zusammenhängend die Leistung des initialen BA, der daraus resultierenden Datenkommunikation sowie der Hardware-Beeinträchtigungen. Viertens erweitern wir unsere Arbeit auf Relay-Netzwerke, um die Reichweite bei mmWave-Frequenzen weiter zu vergrößern.
