Millimeter-wave communications using Sub-6 GHz out-of-band information

Abstract

Zukünftige drahtlose Kommunikationssysteme werden ihren Betriebsfrequenzbereich von den Sub-6 GHz-Bändern auf die Millimeterwellenbänder ausweiten, um höhere Datenraten zu erreichen. Um die unterschiedlichen Ausbreitungseigenschaften der beiden Frequenzbänder zu untersuchen, ist es unerlässlich, mehrbandige Kanalmessungen durchzuführen. In dieser Dissertation werden dynamische Kanalmessungen mit einem Messaufbau durchgeführt, die einen fairen Vergleich zwischen den Sub-6 GHz-Bändern und Millimeterwellenbändern ermöglichen. Die Messungen werden in einer Innenraumumgebung bei Trägerfrequenzen von 2,55 GHz und 25,5 GHz bei Sendergeschwindigkeiten von 50 km/h und 100km/h durchgeführt. Basierend auf den erfassten Messdaten wird eine vergleichende Analyse der Mehrband-Ausbreitungseigenschaften durchgeführt. Insbesondere werden die Kanäle hinsichtlich der RMS-Verzögerungsverbreitung, des Rician-K-Faktors, der RMS-Doppler-Verbreiterung sowie der RMS-Winkel-Verbreiterung verglichen. Darüber hinaus bewertet diese Arbeit die Systemleistung in beiden Frequenzbändern hinsichtlich der erreichbaren spektralen Effizienz (SE), die aus den gemessenen Kanälen ermittelt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die Unterschiede bei den Parametern im Verzögerungsbereich (RMS-Verzögerungsverbreiterung und Rician-K-Faktor) und im Winkelbereich (RMS-Winkel-Verbreiterung) relativ gering sind und sich wahrscheinlich nicht wesentlich auf das Systemdesign auswirken. Die RMS-Doppler-Verbreiterung nimmt jedoch proportional zur Trägerfrequenz und zur Sendergeschwindigkeit zu, wodurch die Kanalzustandsinformationen bei Millimeterwellenbändern viel schneller veralten. Dies führt zu einer erheblichen Leistungsbeschränkung für Millimeterwellenbänder-Systeme, die in dynamischen Szenarien betrieben werden.Diese künftigen Millimeterwellenbänder-Systeme werden die Multiple-Input- Multiple-Output-Technologie (MIMO) integrieren, um eine ausreichende Verbindungsreserve zu gewährleisten, und sollen in Verbindung mit Sub-6- GHz-Systemen eingesetzt werden. In der Regel basiert die Konfiguration einer MIMO-Kommunikationsverbindung auf der Schätzung der Kanalzustandsinformationen. Bei Millimeterwellen-Frequenzen ist diese Schätzung aufgrund des niedrigen Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) vor der Strahlformung jedoch schwer zu ermitteln. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird eine neuartige Methode zur Schätzung von Millimeterwellen-MIMO-Kanälen vorgeschlagen, bei der Außerbandinformationen aus einem Sub-6-GHz-Band genutzt werden. Die Leistung der vorgeschlagenen Methode wird zusammen mit den state-of-the-art In-Band-Methoden durch Simulationen mit Schwerpunkt auf der erreichbaren SE bewertet. Die Analyse untersucht den Einfluss von Parametern wie dem Rician-K- Faktor, dem SNR, der Anzahl der Antennen, der Geschwindigkeit, der Anzahl der Pilotsymbole und verschiedenen Anwendungsszenarien. Darüber hinaus wird die vorgeschlagene Methode in vollständig digitalen MIMO-Systemen mit niedriger Auflösung hinsichtlich Energieeffizienz (EE) und Leistungsverbrauch untersucht. Zusätzlich wird eine Analyse der Rechenkomplexität und des Trainings-Overheads bereitgestellt. Schließlich wird die Leistung der vorgeschlagenen Methode durch Kanalmessungen validiert, die sowohl in Sichtverbindungsszenarien (LOS) als auch in Nicht Sichtverbindungsszenarien (NLOS) durchgeführt wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode die In-Band-Kanalschätzung in Bezug auf die SE übertrifft, insbesondere in Szenarien mit niedrigem SNR und hohem K-Faktor.

Future wireless communication systems will extend their operating frequency range from sub-6GHz to millimeter wave (mmWave) bands to achieve higher data rates. To investigate different propagation characteristics between sub-6 GHz and mmWave bands, it is essential to conduct multi-band channel measurements. In this dissertation, dynamic channel measurements are conducted using a measurement setup that enables comparing sub-6 GHz and mmWave bands in a fair manner. Measurements are performed in an indoor environment at center frequencies of 2.55GHz and 25.5GHz and transmitter velocities of 50km/h and 100 km/h. Based on the acquired measurement data, a comparative analysis of the multi-band propagation characteristics is conducted. Specifically, the channels are compared in terms of root-mean-square (RMS) delay spread, Rician K-factor, RMS Doppler spread and RMS angular spread. Additionally, this dissertation evaluates the system performance in both frequency bands in terms of achievable spectral efficiency (SE) derived from the measured channels. The results indicate that differences in delay-domain parameters (RMS delay spread and Rician K-factor) and angular-domain parameters (RMS angular spread) are relatively minor and are unlikely to impact system design significantly. However, the RMS Doppler spread increases proportionally with carrier frequency and transmitter velocity, causing channel state information (CSI) at mmWave frequencies to become outdated much more rapidly. This imposes a substantial performance limitation for mmWave systems operating in dynamic scenarios.These forthcoming mmWave systems will integrate multiple-input multiple-output (MIMO) technology to ensure sufficient link margin and are expected to be deployed in conjunction with sub-6GHz systems. Configuring a MIMO communication link usually relies on estimating CSI, which is challenging to acquire at mmWave frequencies due to the low pre-beamforming signal-to-noise ratio (SNR). In this dissertation, a novel method is proposed for estimating mmWave MIMO channels by leveraging out-of-band information from a sub-6 GHz band. The performance of the proposed method, along with state-of-the-art in-band methods, is evaluated through simulations with a focus on achievable SE. The analysis investigates the influence of parameters such as the Rician K-factor, SNR, number of antennas, velocity, number of pilot symbols and various application scenarios. Moreover, the proposed method is investigated in fully digital low-resolution MIMO systems in terms of energy efficiency (EE) and power consumption. Additionally, an analysis of computational complexity and training overhead is also provided. Finally, the performance of the proposed method is validated through channel measurements conducted in line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) scenarios. The results demonstrate that the proposed method outperforms in-band channel estimation in terms of SE, particularly in scenarios of low SNR and high K-factor.