Millimeter wave channels for vehicular communications : Variability and sparse models

Abstract

Future wireless communications systems face increased demand for higher data rates and massive connectivity. These requirements are challenging to meet with the already scarce radio resource in the frequency spectrum below 6 GHz alone. Therefore, millimeter wave (mm-wave) bands are of interest for vehicular wireless communications, 5G systems, and beyond. Mm-wave communications systems are nothing new, but technological advance- ments allow their cost-effective use for new potential applications. Vehicular mm-wave radiocommunication allows large bandwidths with directed beams for short-range high- rate links.This thesis investigates the mm-wave channel at 60 GHz supported by conducted exper- iments for vehicle to infrastructure (V2I) scenarios on three focus points.First, the limited bandwidth leads to unresolvable propagation paths within the same delay tap of an equivalent tapped delay line channel model, giving rise to fluctuations known as small-scale fading. The magnitude of the delay tap that is attributed to the line of sight (LOS) component shows severe variability along the track of the investigated experiment. Small-scale fading due to the LOS component and specular component due to a ground reflection is a key issue for medium channel bandwidths with limited frequency diversity. The results on the variability show that the variability is lower for a beam with an uptilt compared to a horizontally directed beam due to the attenuation of a ground reflection. Wide beamwidths or unwanted strong sidelobes of the employed antennas are further reasons for the presence of dominant specular components which lead to severe fluctuations even for high channel bandwidths. I propose a novel small-scale fading model, which enables to model the fluctuations of the LOS delay tap magnitude in the presence of three dominant specular components with specific phase relations. The model explains why statistical tests on the magnitude distribution accept fading models for dominant specular components with fewer components than there are present. I perform an analysis of the magnitude distributions within small spatial regions along the trajectory of the V2I scenario. The two-wave with diffuse power fading model provides a good fit of the V2I mm-wave channel within small spatial regions, although evidence from the data suggests the presence of a third wave.Second, it is convenient to model nonstationary time-varying random wireless channels as stationary within a limited region of time and frequency. This stationary channel model describes elementary time shifts (delay) and frequency shifts (Doppler) of the signal due to multipath components (MPCs). I perform an analysis of the V2I mm- wave channel’s power distribution in the delay-Doppler domain with respect to different beam tilt angles of the vehicle’s directive antennas. The wireless channel at 60 GHz in an urban street canyon environment shows a low number of MPCs with significant power in the delay-Doppler domain. Moving or static vehicles with large reflective surfaces are identifiable in the measurements. The beam directed horizontally slightly increases the diversity in the delay-Doppler domain of a wireless system.Third, the low number of MPCs in the delay-Doppler domain suggests that a parametric sparse model of only a few coefficients adequately models the V2I mm-wave channel. I apply the framework of atomic norm minimization (ANM) to identify scatterers in the delay-Doppler domain of a measured V2I mm-wave wireless channel. The ANM method is not restricted to a finite grid, but its application on the measured channel has an impracticable computation complexity for today’s wireless systems. I show how the decoupled version of the ANM, which has lower complexity, successfully extracts the delay-Doppler parameters in high resolution for the channel’s MPCs. The derived sparse representations are in good agreement with the measured channels which shows that the sparse model is adequate. The sparse representation models the wireless channel in a deterministic way. I therefore propose to employ hybrid deterministic and random time-varying channel models for V2I mm-wave communications.

Zukünftige Funksysteme stehen vor der Herausforderung der stetigen Zunahme an erforderlicher Datenrate und Anzahl an verbundenen Kommunikationsteilnehmer. Diese Anforderungen sind nur schwer mit den knappen Frequenzressourcen zu erreichen, welche das intensiv genutzte Frequenzspektrum unterhalb von 6 GHz zur Verfügung stellt. Die Millimeterwelle (mm-Welle) und die damit in Verbindung stehenden Frequenzbänder großer Bandbreite sind daher von großem Interesse für die drahtlose Fahrzeugkommunikation, 5G Mobilfunksysteme oder ähnliche Systeme. Der Einsatz von mm-Wellen ist für gewisse Funksysteme schon länger Stand der Technik, jedoch führt die voranschreitende Miniaturisierung und Integration der dafür notwendigen Technologie zu stets kosteneffizienteren Anwendung der mm-Welle für neue Einsatzfelder. Für die Fahrzeugkommunikation ermöglicht die mm-Welle durch die großen Bandbreiten und bei der Verwendung von gerichteten Antennen eine Funkübertragung über kurze Distanzen bei einer hohen Datenrate. Diese Arbeit untersucht den Funkkanal der mm-Welle bei 60 GHz in drei Fokuspunkten auf Basis von durchgeführten Experimenten zur Kommunikation zwischen Fahrzeug und Verkehrsinfrastruktur (V2I) im urbanen Straßenverkehr. Im ersten Punkt gehe ich auf das Problem des kleinräumigen Signalschwunds ein, welches trotz des Bestehens einer Sichtverbindung bei der Verwendung von bandlimitierenden Systemen bestehen kann. Ich beschränke mich dabei auf die Verzögerungsauflösung bei der Verwendung mittlerer Kanalbandbreiten. Dabei kann sowohl eine Bodenreflexion als auch weitere Komponenten der Mehrwegeausbreitung maßgeblich zum kleinräumigen Schwund beitragen. Ich untersuche die Veränderlichkeit des Funkkanals entlang der Trajektorie des Fahrzeugs hängt dabei von der Ausrichtung der gerichteten Antennen ab. Eine leicht nach oben geneigte Ausrichtung weißt eine kleinere Veränderlichkeit auf als eine horizontale Ausrichtung. Ich stelle ein Model für den kleinräumigen Schwund vor, welches die Modellierung von drei dominierenden Komponenten der Mehrwegeausbreitung mit einer Phasenabhängigkeit erlaubt. Durch das Model können Ergebnisse statistischer Tests auf eine bestimmte Verteilungsfunktion der Empfangsamplitude erklärt werden, welche ein Schwundmodel nicht ablehnen obwohl jenes Model weniger dominierende Komponenten vorsieht als vorhanden sind. Ich führe eine Analyse der Verteilung der Empfangsamplitude für den Funkkanal entlang der Trajektorie des Fahrzeugs im V2I-Szenario durch. Das Two-Wave with diffuse power-Schwundmodel liefert dabei gute Anpassungsergebnisse bei der Beschränkung auf kleine Streckenabschnitte, wobei die vorhandenen Messdaten auf eine dritte dominierende Komponente hindeuten.Im zweiten Punkt betrachte ich den zeitvarianten Funkkanal in der kombinierten Zeitverzögerungs- und Dopplerverschiebungsdomäne, kurz Verzögerungs-Doppler-Domäne, um die Leistungsverschiebung von Signalen durch Komponenten der Mehrwegeausbreitung in jener Domäne zu beschreiben. Ich analysiere den gemessenen V2I-Funkkanal für die mm-Welle in der Verzögerungs-Doppler-Domäne und untersuche den Einfluss der Neigung der gerichteten Antennen am Fahrzeug. Die Untersuchung zeigt für eine städtische Straßenschlucht eine geringe Anzahl an signifikanten Komponenten der Mehrwegeausbreitung in der Verzögerungs-Doppler-Domäne. Sich bewegende oder abgestellte Fahrzeuge, welche eine große Fläche für Reflexionen darstellen, sind in den Messergebnissen identifizierbar. Eine horizontal gerichtete Antenne erhöht dabei die Diversität in der Verzögerungsdomäne.Im dritten Punkt verwende ich wegen der geringen Anzahl an Komponenten in der Verzögerungs-Doppler-Domäne ein parametrisches spärliches Model zur Beschreibung des V2I-Funkkanals für die mm-Welle. Ich wende das Konzept der atomaren Normen und dessen Minimierung (ANM) am gemessenen Funkkanal an zur Identifikation von Streuern in der Verzögerungs-Doppler-Domäne. Die ANM-Methode ist dabei nicht auf ein endliches Raster zur Bestimmung der Verzögerungs-Doppler-Parameter beschränkt. Da die Anwendung von ANM auf die Funkmessdaten einen hohen Rechenaufwand benötigt ist diese Methode für heutige Funksysteme noch nicht praktikabel. Ich zeige anhand einer entkoppelten ANM-Variante mit niedrigeren Rechenaufwand die erfolgreiche hochauflösende Bestimmung der Verzögerungs-Doppler-Parameter von Komponen- ten der Mehrwegeausbreitung. Ein davon abgeleitetes parametrisiertes spärliches Model beschreibt den gemessenen Funkkanal in guter Näherung. Da dieses Model den Kanal in einer deterministisch beschreibt, schlage ich für die Modellierung von zeitvarianten V2I- Funkkanälen für die mm-Wellenkommunikation die Verwendung von hybriden Modellen vor, welche aus einem deterministischen und einem stochastischen Anteil bestehen.