Beamforming Solutions for Efficient Link Setup and Link Maintenance in mmWave Communication Systems

Abstract

Millimeter wave (mmWave band) technology has gained a lot of attention in 5G communications, due to large amounts of spectrum being available in the mmWave frequency range. However, mmWave links suffer from severe free-space loss and atmospheric absorption. Beamforming, which generates directed beams with strong gain using multiple antennas, is one promising solution towards these challenges.
In this thesis, we focus on designing beamforming weights (a codebook) to synthesize a new beam type, referred to as the "Slepian" beam. The width of the Slepian beam is tuneable, which enables the creation of a wider main-lobe with small side-lobes than the conventional Discrete Fourier Transform (DFT) beam. This makes it possible to optimize the beam for some optimization criteria. In particular, the interest is on the optimization of spectral efficiency and outage capacity over the coverage area (i.e., an angular sector). Using the Slepian beam, the angular space can then be quantized into sub-regions, where each sub-region is covered by a shifted version of the beam. Using wider beams to cover wider sub-regions instead of narrower sub-regions reduces the overhead on both the beam tracking and beam sweeping algorithms, with the latter achieving a reduced initial access time. The new codebook is then used for beam sweeping, and the beam sweeping algorithm implemented and evaluated in this work is hierarchical beam sweeping. Simulation results and capacity analysis verify that the proposed codebook design improves spectral efficiency and outage capacity.

Abstract (Swedish)

Tekniken för millimetervågor har fått stor uppmärksamhet inom 5G-kommunikation tack vare att ett stort spektrum finns tillgängligt i frekvensområdet för millimetervågor. Men mm-våglänkarna lider av allvarlig bana-förlust och atmosfärisk absorption. Strålformning,, att skapa riktade strålar som kan riktas åt olika håll med hjälp av ett stort antal antenner, är en lovande lösning till dessa utmaningar.
I detta examensarbete fokuserar vi på att utforma strålforminingsvikter för att skapa dessa riktade strålar (en kodbok) för att syntetisera en ny typ av stråle som vi har valt att kalla "Slepian"-strålen. Bredden på Slepian-strålen går att justera, vilket möjliggör att det bildas en bredare huvudlob med små sidolober än den konventionella Discrete Fourier Transform (DFT)-strålen. Detta gör det möjligt att optimera strålen för vissa optimeringskriterier. I synnerhet ligger intresset i att dels optimera spektral effektivitet och dessutom att optimera avbrottskapacitet i det täckta området (d.v.s. en vinkelsektor). Med hjälp av Slepian-strålen kan vinkelutrymmet kvantiseras (delas upp) i mindre delregioner, där varje delregion är täckt av en förskjuten version av strålen. Genom att använda bredare strålar för att täcka bredare delregioner istället för smala delregioner reduceras överbelastning på både strålspårning (att hålla koll på vilken riktad stråle som ger bäst signalstyrka för tillfället) och strålsökning (att söka igenom de möjliga riktningarna på strålen) algoritmerna. I det sistnämnda fallet uppnås en snabbare uppkopplingstid. Den nya kodboken används sedan för att strålsökning, och algoritmen för att söka igenom strålarna som implementeras och utvärderas i detta arbete är en hierarkisk strålsökning. Simuleringsresultat och analys av kapaciteten verifierar att den föreslagna kodboksdesignen förbättrar spektral effektivitet, och avbrottskapacitet.

Popular Abstract

Heading: Design of algorithm/codebook for 5G mobiles to control radiation beam’s width and direction.
Introduction: In 5G cellular networks, mobile phones can focus and steer receiving beam towards the desired signal (Steer towards the tower for instance). This concentrates the receiving gain in a narrow beam, leading to a more robust wireless link.
Main text: In future 5G systems that apply millimeter waves, an important requirement for mobile devices is fast connection to a tower. This can be either the setup of an initial connection, or the re-connection after the loss of the current connection. This requirement implies that the mobile device should find a strong enough incoming signal from the tower as fast as possible. This thesis project aims at solving this problem by designing a so-called codebook and algorithms that make use of it. They can be used in future 5G mobile phones to enable the phones to direct their signal towards (or receive the tower signal from) a certain direction, so they can establish the best wireless link with the tower. For example, imagine that you are in a dark room, and want to check the time on a clock hanging on the wall. Using a bulb will illuminate not only the clock, but the whole room, whereas using a flashlight can illuminate the clock only, but with a brighter light ray, and avoid sending the light everywhere unnecessarily. In wireless networks, this example translates into that the mobile focuses its radiated power towards the tower upon transmission, which increases the power gain and avoids disturbing other devices in the system. Similarly, it also translates into the mobile focusing its receiving beam in the direction of the desired signal coming from the tower, increasing its receiving gain and also avoiding interference from other devices that transmit at the same time. Phone manufacturers enable this feature by equipping the phone with multiple antennas that can collaborate to form a narrower beam and steer the beam to scan the surrounding space. In particular, this happens in the receiving path by capturing the same signal in all the antennas, and weighting each signal from each antenna with some weight that changes the signal’s amplitude and/or phase, resulting in that the signals that come out of different antennas add up in the desired direction, and cancel one another otherwise. These sets of weights are stored in a codebook that represents different beam widths and directions. The techniques that decide the values of these weights are called beam synthesizers. Many beam synthesizers have been proposed in the past. In this thesis project, we propose a new beam synthesizer, and compare it with other beam synthesizers analytically and by system simulation. The results show that the new beam synthesizer gives significant data rate improvements under certain interference scenarios. The comparison is done against a metric called signal to noise and interference ratio (SINR) as well as the data rate. SINR is an indication of how much power of the desired signal has been delivered, relative to how much power of non-desired interferences plus noise is collected. The beam design as well as the system simulation were done in MATLAB.

Popular Abstract (Swedish)

Rubrik: Design av algoritm/kodbok för 5G-mobiler för att styra bredd och riktning på dess koncentrerade utstrålade effekt.
Introduktion: I 5G-mobilnät kan mobiltelefoner fokusera och styra sina antenners mottagningsstrålen mot önskad signal (till exempel kan de styras mot en basstationen). Detta koncentrerar mottagningsförstärkningen i en smal stråle, vilket leder till en mer robust trådlös länk.
Huvudtext: I framtida 5G-system som tillämpar millimetervågor är ett viktigt krav för mobila enheter en snabb uppkoppling till en basstationen. Det kan vara antingen att skapa en första anslutning eller att koppla upp sig igen efter att den aktuella anslutningen har förlorats. Detta krav innebär att mobilenheten behöver hitta en tillräckligt stark inkommande signal från basstationen så fort som möjligt. Detta avhandlingsprojekt försöker att lösa detta problem genom att designa en så kallad kodbok och algoritmer som utnyttjar den. De kan användas i framtida 5G-mobiltelefoner så att telefonerna kan styra sin signal mot (eller ta emot basstationen signal från) en viss riktning, så att de kan sätta upp den bästa möjliga trådlösa länken med basstationen. Till exempel, tänk dig att du är i ett mörkt rum och vill kolla tiden på klockan som hänger på väggen. Att använda en glödlampa belyser inte bara klockan, utan hela rummet, medan om man använder en ficklampa kan man belysa enbart klockan, med en starkare ljusstråle och undvika att överföra allt annat ljus i onödan. I trådlösa nätverk innebär det här exemplet att mobilen fokuserar sin utstrålade effekt mot basstationen vid överföring av data, vilket ökar effektförstärkningen och undviker att störa andra enheter i systemet. På motsvarande sätt gäller det även för mobilen som fokuserar sin mottagningsstråle i riktning mot den önskade signalen som kommer från basstationen, vilket ökar dess mottagningsförstärkning och också undviker störningar från andra enheter som sänder samtidigt. Telefontillverkare aktiverar den här funktionen genom att utrusta telefonen med flera antenner som kan samverka för att bilda en smalare stråle och styra strålen för att skanna av det omgivande utrymmet. I synnerhet händer detta i mottagningen av strålen genom att ta emot samma signal i alla antenner och lägga till så kallade vikter på varje signal från motsvarande antenn som ändrar signalens amplitud och/eller fas. Detta resulterar i att signalerna som kommer ut från olika antenner adderas ihop i önskad riktning och annars tar de ut varandra. Dessa uppsättningar av vikter lagras i en kodbok som representerar olika bredder och riktningar på strålen. De tekniker som bestämmer värdena för dessa vikter kallas strålsyntetisatorer. Många strålsyntetisatorer har föreslagits tidigare. I det här avhandlingsprojektet föreslår vi en ny strålsyntetisator, och jämför den med andra strålsyntetisatorer analytiskt och genom simuleringar. Resultaten visar att den nya strålsyntetisatorn ger signifikanta förbättringar av datahastigheten under vissa interferensscenarier. Jämförelsen görs med ett mått som kallas signal-till-brus-och-interferensförhållande (SINR), samt mot datahastigheten. SINR är en indikation på hur mycket signaleffekt av den önskade signalen som har levererats i förhållande till hur mycket signaleffekt som har samlats in från icke önskad interferens samt brus. Designen av strålen och simuleringen gjordes i MATLAB.

• author: Sharkas, Hesham and Echigo, Haruhi
• supervisor: Buon Kiong Lau; Dzevdan Kapetanovic
• organization: Department of Electrical and Information Technology
• alternative title: Strålformningslösningar för Effektiv Länketablering och Länkunderhåll i Millimetervåg Kommunikationssystem
• course: EITM02 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: 5G, Beamforming, Beam-forming, Beam Management, Beam Searching, Beam Sweeping, Codebook, code-book, Initial Access, MIMO, MillimeterWave, millimeter wave, mmWave, mm-Wave, mm Wave, Precoding, Slepian Beam, Synthesizer, Beam Synthesizer
• report number: LU/LTH-EIT 2019-709
• language: English
• id: 8975347
• date added to LUP: 2019-07-01 09:19:29
• date last changed: 2019-07-01 09:19:29