Multiple Antenna Terminals in Realistic Environments - A Composite Channel Modeling Approach

Abstract

For evaluation of specific antenna arrangements in wireless communication systems we need physical channel models that take into account also the directional domain of the propagation channel. In this thesis we investigate, validate and propose a practical approach to wireless channel modeling and, particularly, to mobile communication systems. For this we make the assumption that the channel can be divided into separate parts, or regions that can be treated and modeled separately. The basic idea is that the antenna parts of the channel is the parts considered in the design of base station antennas and user equipments and can be characterized by a single measurement of each design, while the propagation part of the channel can be characterized separately, independent of the specific installed base station antenna or the user equipment, but based on generic channel sounder measurements with, as far as possible, open areas around the transmitter and the receiver antennas. For more complex antenna environments we may imagine intermediate scattering regions of the channel model between the antenna parts and the propagation part, that can or cannot be handled separately, e.g., the body of a mobile phone user, an office desk, a vehicle, surroundings of base station antennas in dense deployments, etc. A first step in evaluating such a composite channel modeling approach is to verify the validity of communication link simulations were the mobile phone antennas together with the user can be treated as a super-antenna with its aggregate far-field pattern to be combined with a directional channel model in a classical way. This is first presented in Paper II, and the method is in its extensible form here referred to as a composite channel method. It is found that this method, as we expected, work well for statistical performance evaluation of diversity and spatial multiplexing. An extension of the composite approach is outlined with an attempt to find a simple yet accurate directional scattering model for, firstly, the user body, and, secondly, a car environment with the user inside. A simple model that still catch the proper influence of antenna efficiency, fading statistics, and correlation at the mobile side. In Paper I a first investigation of user influence on an indoor 2x2 multiple-input multiple-output (MIMO) link is performed based on a narrowband measurement setup and the diversity performance is evaluated. In Paper II, the first step of the composite channel approach is evaluated with respect to MIMO by channel measurements including user influence in two static outdoor-to-indoor and indoor-to-indoor scenarios. The approach is verified for statistical properties such as antenna correlation and MIMO eigenvalue distributions. It is found, with extended detail given in Paper III that the presence of the user, apart from introducing hand and body absorption and mismatch that increases the path loss, also increases the correlation between the antenna branch signals and, thus, slightly decreases potential MIMO capacity. In Paper IV and Paper V the investigation is extended to the scenario were the user is located inside a family car (station wagon). In Paper IV a first analysis of an outdoor MIMO measurements campaign with the user outside and inside the car is presented. The results show an increased scattering inside the car that improves mainly the potential diversity gain, and to some extent also the potential MIMO capacity gain, to the cost of higher path loss (lower SNR) due to car penetration loss. An important observation is the dependency of this penetration loss on the directional properties of the outer propagation channel, which indicates a possible need for scenario dependent penetration loss in general channel modeling. In Paper V this is further verified with directional estimation of the propagation channel both outside and inside the car. We also find that the composite channel method with the inherit assumption of plane-waves impinging on the mobile terminal, actually does produce good results even in this close near-field environment inside the car with the nearby scatterers within the far-field (Rayleigh) distance of the probe antenna array.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Mobiltelefonanvändandet förändrades radikalt för några år sedan när de nya grafiska ”touchmobilerna” lanserades och mobilt internet blev inte bara tillgängligt utan också enkelt och använbart för alla. Idag är en ”smart-phone” i det närmaste obligatorisk i handen på såväl vuxna som ungdomar och kraven på datatakt och åtkomst är höga och ökar när allt fler samtidigt använder olika musik och filmtjänster eller utbyter bilder och filmsekvenser via sociala nätverksapplikationer. Vi förväntar oss att dessa ”appar” ska fungera utan problem när alla åskådare samtidigt vill se reprisen på ett snyggt mål på en fullsatt fotbollsarena eller när barnen i baksätet på bilen på semesterresan spelar nät-spel med andra på motorvägen, eller när alla i pendeltåget samtidigt tittar på nyheterna eller olika filmer via nät-TV på väg till eller hem från arbetet.



Denna media och informationskonsumtion ställer allt högre krav på såväl de mobila nätverken och dess utbyggnad som på de mobila terminalerna och dess funtion. Nya standarder som LTE (long term evolution) erbjuder allt högre datatakt i näten genom att utnyttja nya tekniker som till exempel MIMO (multiple input multiple output) där flerantennsystem (eller gruppantenner) i såväl basstationsmasten som i terminaler samverkar i samma frekvensband och tidsekvens för att utnyttja radiokanalens utbredningsvägar maximalt. Utnyttjande av flerantennsystem i basstationen innebär i många av dagens nätverk inte något vetenskapligt problem och har använts sedan länge för att motverka fädning i radiosammanhang. I handburna mobilterminaler eller ”smart-phones” är det däremot inte lika självklart att vi utan vidare kan placera in två eller flera antenner och få dem att fungera på ett effektivt sätt. Handen som håller mobilen påverkar dess funktion och kan helt intetgöra egenskaperna hos antennelementen. En annan effekt är skuggning från användarens kropp som skymmer radiosignalerna till och från basstationen. Med andra ord så påverkar användaren själv antennernas funktion och därmed radiokanalen. Detta gäller även andra omgivningar till antennen som till exempel när användaren befinner sig i en bil, i ett tåg eller går in i ett hus.



När vi testar och utvecklar trådlösa kommunkationssystem behöver vi användbara kanalmodeller som på ett realistiskt sätt beskriver radiokanalen med avseende på utbredningsdämpning, fördröjning och polarisationsegenskaper, samt (i synnerhet för utnyttjande av flerantennsystem) sändriktningar och mottagningsriktningar vid flervägsutbredning. Dessa kanalmodeller används för att simulera mobilnät och är ett viktigt verktyg för att förstå och utveckla olika implementeringar av flerantennsystem. Kanalmodeller beskriver alltså inte bara antennen och dess omgivning, utan också radiovågornas väg genom terrängen, mellan, genom och inom byggnader, etc. Ofta använder vi förenklade statistiska kanalmodeller som ger de huvudsakliga egenskaperna för någon typ av utbredningsmiljö, i andra sammanhang behöver vi noggrannare deterministiska kanalmodeller.



I denna avhandling undersöker vi potentialen hos multipla antenner i terminaler under realistiska omständigheter inomhus och utomhus. Resultaten från de publicerade artiklarna visar på att två till fyra antenner i en handburen terminal kan ge stora vinster i överföringskapacitet även under realistiska omständigheter. Betydelsen av placeringen av antennelementen, dess huvudsakliga polarisationsriktning samt diversitetsegenskaper undersöks experimentiellt i framför allt kontorsmiljöer med inverkan av en artificell användare. Resultaten visar också på fördelar med möjligheten att växla mellan upp till fyra antennelement i terminalen även när färre parallella radiosändar/mottagar-kedjor än så utnyttjas i radion. Påverkan från användaren på prestanda och potential hos MIMO-terminaler undersöks också i utomhusmiljö samt i en bil.



En viktig del i arbetet som beskrivs i avhandlingen har varit utveckling och verifiering av analysmetoden som använts. Vi testar gränssnittet mellan antennen och utbredningskanalen samt föreslår en sammansatt kanalmodel med antennen, dess direkta omgivningar och utbredningskanalen separerade. Utgångspunkten har varit att utbredningskanalen kan beskrivas som en summa av plana vågor och att antennen karakteriseras med sitt strålningsdiagram som beskriver antennens riktningsfördelning och polarisationsegenskaper betraktad från ett mycket stort avstånd. I realistiska mobila radiokanaler är objekt som sprider radiovågor ofta mycket nära antennen och frågan har varit om dessa skall tillskrivas antennen eller kanalen eller rent av ett lager däremellan. Resultaten i avhandlingen visar på att användaren i kombination med antennen kan hanteras som en enhet (en ”superantenn”) och att planvågsantagandet håller för statistiska utvärderingar av flerantennsystem under realistiska omständigheter, såväl inomhus som utomhus. Däremot inuti en bil är detta som väntat inte lika självklart. Våra observationer indikerar att metoden i stort sett fungerar även för fallet med en användare inuti en bil men att högupplöst riktningsskattning inte är möjlig vid frekvenser där våglängden är mycket mindre än utrymmet i bilen vilket begränsar detaljegenskaper i utvärderingen.



Således blir den övergripande slutsatsen från vårt arbete att flerantennsystem i mobila nätverk i allmänhet och flerantennsystem i synnerhet erbjuder stora möjligheter att öka överföringskapaciteten i framtida mobilnät. Även om olika realistiska omgivningar påverkar och förändrar radiokanalen ser det ut som att slutsatserna om antennplacering och kapacitetsvinster blir ungefär de samma. För kanalmodellering föreslås en metodik där mycket enkla modeller utnyttjas för att tillskriva huvudsakliga statistiska egenskaper för typiska antennomgivningar. Denna form av modeller har potential för att erbjuda ett enkelt modulärt sätt att bygga kanalmodeller. Här finns dock fortfarande mycket kvar att göra för framtida forskning.

• author: Harrysson, Fredrik
• supervisor: Fredrik Tufvesson
• opponent: Dr. Brown, Tim, University of Surrey, U. K.
• organization: Department of Electrical and Information Technology; Radio Systems-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
• keywords: Channel model, MIMO, multiple antennas terminal, propagation, user interaction, vehicular channel, diversity, spatial multiplexing, channel measurement
• in: Series of licentiate and doctoral theses
• pages: 198 pages
• defense location: Lecture hall E:1406, E-building, Ole Römers väg 3, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2012-05-29 13:15:00
• ISSN: 1654-790X
• ISBN: 978-91-7473-322-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 50495991-aaef-4438-bf2d-aeaac5520c8d (old id 2520183)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:56:32
• date last changed: 2019-05-24 08:43:50