Spatial degrees of freedom in the context of distributed MIMO antenna arrays for near field communications

Abstract

The need for speed in communications systems is increasingly prevalent in modern society, which is one of the driving factors for the evolution of new technologies. At the forefront of this evolution are Multiple-input Multiple-output (MIMO) systems. Through the usage of many antennas at the base station (BS) and user equipment (UE), significantly enhances the potential maximum data transfer rates. Central to the performance of MIMO systems is the concept of Degrees of Freedom (DoF), a metric that quantifies the controllability of a system.

This thesis examines the DoF-distribution of a MIMO-system with focus on spatial multiplexing which allows for several spatially orthogonal channels to be set up and used to increase system capacity. By identifying parameters that affect the number of DoF in the spatial domain, gives design rules and insight into simplifying the design process for future communication systems, meeting the growing demand for higher data rates.

By usage of computer simulations and the current theory of MIMO-system, this study links the effects of apparent area in the context of solid angles on the number of spatial DoF for Single-User MIMO as well as for Multiple-User MIMO. An overview of DoF-metrics is given together with novel description of a volumetric UE which extends previous low-dimensional formulations of the user together with the implementation of a real antenna model and its impact.

Popular Abstract (Swedish)

Elektromagnetiska vågor är svåra att förklara men enkla att uppleva. Det är de fotoner som träffar våra näthinnor som gör att vi ser saker. Radion plockar upp dessa för att spela nyhetsmorgon, och när wifi:t är söligt, så är det avsaknaden av dessa vågor från routern som besvärar oss.

I synnerhet är det sista exemplet något som har sett stor utveckling de senaste seklen. Den första elektriska telegrafen efterföljdes av telefonen för att sedan bli trådlös för att numera användas för att surfa på internet. Elektromagnetiska vågor är informationsbäraren i alla dessa exempel och förväntas att föra över flera hundra gånger mer information än vad de gör idag. Likt routrarna som man har i hemmet så har man basstationer utomhus som bygger upp det vi kallar för mobilnät (2G, 3G, 4G, 5G och snart 6G). Idag lägger företag och forskande instanser såsom universitet oerhört stora resurser på att forska fram hur man kan göra dessa system bättre. Ordet bättre kan betyda allt ifrån högre överföringshastigheter, snabbare responstid, bättre tillförlitlighet, mindre fysisk storlek på basstationerna till lägre energiförbrukning.

I detta examensarbete fokuserar jag på hur man kan förbättra dessa basstationer, särskilt med avseende på överföringshastighet i komplexa miljöer. Begreppet "komplex" är missvisande då det hänvisar till de vanliga miljöer vi är vana vid, exempelvis en stadsmiljö. Om man modellerar denna miljö med matematik och fysik blir formlerna oftast långa och krångliga. Detta till skillnad från triviala (enkla) miljöer där formlerna oftast blir korta och enkla. Ett exempel på en trivial miljö hade varit långt uppe i luften eller rymden där inga objekt finns så att man kan fokusera på hur en isolerad basstation fungerar.

Denna förbättring av basstationerna görs genom att med teorin om hur basstationer uppför sig, simulera dagens design i komplexa miljöer för att få reda på vad man behöver lägga krut på för att förbättra. Exempelvis är det kanske bättre att placera ut två mindre basstationer istället för bara en stor. Eller så är det kanske bättre att ändra formen på den befintiliga stationen istället för att lägga till ett par extra antenner. Dessa avvägningar görs för att uppnå bästa möjliga prestanda för investeringen man gör.

Måttet som används för att bestämma om en design är bättre än en annan är antalet frihetsgrader. Dessa går att liknas med en polyglot (mångspråkig person) i ett rum där han för flera diskussioner parallellt. Den som pratar finska skriker, den som pratar svenska pratar i normal volym, den som pratar danska viskar och resten kan man knappt höra vad de säger. Om målet för polyglotten är att maximera det totala informationsflödet så är det endast mödan värt att prata med finnen, svennen och dansken. Samtidigt kan polyglotten prata oerhört snabbt med finnen då det är inga problem med att höra vad denne säger, söligare med svennen och saktast med dansken. Antalet konversationer som är värda att upprätthålla, det vill säga, bidrar positivt till det totala informationsutbytet är exakt det som kallas för antalet frihetsgrader fast i kontexten för spatiell multiplexing för kommunikationssytem med flera antenner i sändare och mottagare.

Denna uppsats har presenterat ett mer relevant mått som har i åtanke hur känslig polyglottens hörsel är. Uppsatsen har även sammanfattat den spretiga röran av nuvarande forskning på ämnet till en mer introduktionsmässig nivå och presenterar de betydande förändringar man kan göra för att förbättra designen av kommunikationssystem. Till sist har ett eget bidrag gjorts med hjälp av datorsimuleringar som visar på betydelsen för hur den upptagna ytan av ens synfält har för den spatiella multiplexingen för en såsom för flera användare.

• author: Svarvare, Alexander
• supervisor: Mats Gustafsson
• organization: Department of Electrical and Information Technology
• course: EITM01 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• report number: LU/LTH-EIT 2024-991
• language: English
• id: 9168146
• date added to LUP: 2024-06-26 10:21:30
• date last changed: 2024-06-26 10:21:30