Loading…
Thumbnail Image

Hybrid analog digital beamforming

Kühne, Thomas

FG Theoretische Grundlagen der Kommunikationstechnik

In recent years, two of the main trends in wireless communication have been higher carrier frequencies and larger antenna arrays. Each trend by itself allows for a significant gain in system performance, but they are difficult to combine. The former trend, higher carrier frequencies in the millimeter-wave (mm-wave) range, offers an unprecedented available bandwidth, but it also requires advanced and more complex hardware technology. The latter trend consists in using a large number of antenna elements together with multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) processing. Combining these two trends is difficult because systems with many antennas operating in the mm-wave range quickly become too complex. Many publications suggest using the hybrid digital-analog (HDA) beamforming architecture for mm-wave MU-MIMO communication systems, but few comprehensively consider all aspects of the HDA architecture and its implementation. This dissertation aims to cover all aspects of the HDA architecture, including the hardware, the communication system design, and the signal processing. We examine the interdependencies of all the parts. We introduce the HDA-specific signal processing, present selected algorithms, and describe the hardware of the analog beamforming network. Our investigation suggests both a structure for the analog network and parameters for its components. The signal processing algorithms and the analog hardware are co-simulated and achieve high performance. Power efficiency and complexity are significant issues for mm-wave systems. An analysis of the power efficiency and the complexity of the HDA architecture shows its advantages compared to the fully-digital architecture. We propose a feasible system design for using the HDA architecture in the mm-wave frequency range. A realistic simulation proves the high performance of the system. As a second use case, we propose that the HDA architecture can be used to increase the MU-MIMO capabilities of Wi-Fi systems. This is a solution to increasing Wi-Fi demands that does not require any change in the Wi-Fi protocol. We examined this use case by building a fully functional demonstrator based on commercial off-the-shelf (COTS) Wi-Fi hardware and a self-developed analog beamforming module. We validated the use case by taking measurements with the demonstrator. Using COTS user stations, we measured an increase of 50% in the end-to-end system throughput. In conclusion, we show that the HDA architecture provides excellent performance and reduces complexity. The hybrid concept can enable the success of future mm-wave systems.
Zwei der wichtigsten Trends in der drahtlosen Kommunikation in den letzten Jahren waren sehr hohe Trägerfrequenzen und große Gruppenantennen. Der Millimeterwellen-Frequenzbereich (mm-Wellen-Frequenzbereich) bietet mit der großen verfügbaren Bandbreite die Möglichkeit, die Systemleistung zu steigern, erfordert aber auch eine fortschrittlichere und komplexere Hardwaretechnologie. Eine zusätzliche signifikante Steigerung der Systemleistung ist möglich, wenn eine große Anzahl von Antennenelementen zusammen mit einer Mehrnutzer-Mehrantennen-Verarbeitung (MU-MIMO-Verarbeitung, englisch: Multi-User-Multiple-Input-Multiple-Output) verwendet wird. Viele Veröffentlichungen schlagen die Verwendung der hybriden digital-analogen (HDA) Strahlformungsarchitektur für mm-Wellen-MU-MIMO-Kommunikationssysteme vor, aber nur wenige berücksichtigen dabei zusammenhängend alle Aspekte der HDA-Architektur und ihrer Implementierung. Ziel dieser Dissertation war es, alle Aspekte der HDA-Architektur abzudecken, z. B. die Hardware, das Design des Kommunikationssystems und die Signalverarbeitung. Dabei wurden auch die Abhängigkeiten zwischen den Teilen untersucht. Wir stellen die HDA-spezifische Signalverarbeitung vor, präsentieren ausgewählte Algorithmen und beschreiben die Hardware des analogen Stahlformungsnetzwerks. Unsere Untersuchung schlägt sowohl eine Struktur für das analoge Netzwerk als auch Parameter für seine Komponenten vor. Die Signalverarbeitungsalgorithmen und die analoge Hardware werden gemeinsam simuliert und erreichen eine hohe Systemleistung. Eine Analyse der Leistungseffizienz und der Komplexität der HDA-Architektur zeigt ihre Vorteile im Vergleich zu einer volldigitalen Architektur. Wir schlagen ein umsetzbares Systemdesign für die Anwendung im mm-Wellen-Frequenzbereich vor. Eine realistische Simulation beweist die hohe Leistungsfähigkeit. Als zweiter Anwendungsfall wird die HDA-Architektur als Lösung vorgeschlagen, um die MU-MIMO-Leistung von Wi-Fi-Systemen zu erhöhen. Unsere Lösung erfordert keine Änderung des Wi-Fi-Protokolls. Wir haben einen voll funktionsfähigen Demonstrator gebaut, der auf handelsüblicher Wi-Fi-Hardware und einem selbst entwickelten analogen Strahlformungsmodul basiert. Unser Ansatz wird durch Messungen mit dem Demonstrator validiert. Wir messen mit handelsüblichen Nutzergeräten eine Steigerung des Ende-zu-Ende-Durchsatzes um 50%. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die HDA-Architektur eine hervorragende Systemleistung bietet und die Komplexität reduziert. Das hybride Konzept kann den Erfolg zukünftiger mm-Wellensysteme ermöglichen.