Influence of fast movement on DOA algorithms for mmWave channels

Abstract

Virtual antenna arrays are employed on the roof of high-speed trains to sound the channel between a train and a fixed base station. Because high-speed trains are moving fast during such a measurement, high Doppler shifts are experienced. The laboratory setup proposed in this thesis allows repeatable measurements at the same antennapositions in standstill and at high speed and also ensures a fair comparison between classical sub 6 GHz frequencies and millimeter wave (mmWave) frequencies. In this work, I compare the performance of common direction of arrival (DOA) estimation algorithms such as the Bartlett beamformer or multiple signal classification (MUSIC) at different speeds and frequencies under the same conditions. I show that the estimated angular power spectrum changes drastically if the transmit antenna array is in motionduring the measurement. At high speed, both algorithms show a high mean angular error. At high velocities, the angular error can amount to ≈ 40%. A simulation confirms that the Doppler effect in combination with the change of the antenna position causes an amplitude change of the estimated angular power spectrum. It also introduces anangular shift. The mean angular error in the simulation goes up to ≈ 11.5% depending on the transmit frequency and velocity. The unique environment of the measurement could lead to a larger mean angular error. A reduction of the symbol duration in the simulation leads to a significantly lower angular mean error. The high errors indicatethat the proposed DOA estimation algorithms are not consistent anymore at fast movement.

Virtuelle Antennengruppen werden auf dem Dach von Hochgeschwindigkeitszügen eingesetzt, um den drahtlosen Kanal zwischen einem Zug und einer festen Basisstation zu bestimmen. Da sich Hochgeschwindigkeitszüge während einer solchen Messung schnell bewegen, kommt es zu starken Dopplerverschiebungen. Der in dieser Arbeit vorgeschlagene Laboraufbau ermöglicht wiederholbare Messungen an denselben Antennenpositionen im Stillstand sowie bei hoher Geschwindigkeit und gewährleistet einen validen Vergleich zwischen klassischen Frequenzen unter 6 GHz und Millimeterwellenfrequenzen. In dieser Arbeit vergleiche ich das Verhalten gängiger Algorithmen zur Schätzung der Ankunftsrichtungen wie den Bartlett-Beamformer Algorithmus oder den Multiple Signal Classification (MUSIC) Algorithmus bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Frequenzen unter denselben Bedingungen. Ich zeige, dass sich das geschätzte Winkelleistungsspektrum drastisch ändert, wenn sich die Sendeantennengruppe während der Messung bewegt. Bei hohen Geschwindigkeiten weisen beide Algorithmen einen hohen mittleren Winkelfehler auf. Bei hohen Geschwindigkeiten kann der Winkelfehler bis zu ≈ 40% betragen. Eine Simulation bestätigt, dass der Dopplereffekt in Kombination mit der Änderung der Antennenposition eine Amplitudenänderung des geschätzten Winkelleistungsspektrums verursacht. Außerdem führt er zu einer Winkelverschiebung. Der mittlere Winkelfehler in der Simulation beträgt bis zu ≈ 11, 5% in Abhängigkeit von der Sendefrequenz und der Geschwindigkeit. Die besondere Umgebung der Messung könnte möglicherweise zu einem höheren mittleren Winkelfehler als in der Simulation führen. Eine Reduzierung der Symboldauer in der Simulation führt zu einem deutlich geringeren mittleren Winkelfehler. Der hohe Fehler zeigt, dass die vorgeschlagenen DOA-Schätzalgorithmen bei schnellen Bewegungen nicht mehr konsistent sind.