On the occurrence of two-wave with diffuse power fading in millimeter wave communications

Abstract

Mobilkommunikation ist heute so erfolgreich, dass herkömmliche Funktechnologien in traditionellen Frequenzbändern bis 6 GHz bald an ihre Grenzen stoßen. Um die Vision der überall verfügbaren hohen Bandbreite zu realisieren, untersucht diese Studie die Verwendung höherer Frequenzbänder, der sogenannten Millimeterwellen, in der Mobilkommunikation. Diese Frequenzbänder über 30 GHz sind meistens unbelegt und schon einzelne Bänder verfügen über weit mehr Bandbreite als alle bisher genutzen Bänder. Darüber hinaus haben Fortschritte in der Elektronik nun ermöglicht, diese Bänder kostengünstig zu nutzen. In dieser Arbeit wurde der Millimeterwellen-Funkkanal mittels folgender Experimente untersucht: (1) zweier Messkampagnen mit direktionalen Hornantennen in einer statischen Büroumgebung, (2) einer Millimeterwellen-Fahrzeugkommunikationsmesskampagne mit einer Hornantenne und einer omnidirektionalen Antenne, sowie (3) einer Eisenbahnkommunikation-Raytracing-Studie mit Richtantennen auf beiden Seiten. In allen Fällen zeigen die erhaltenen Daten, dass der Millimeterwellen-Funkkanal eine sehr begrenzte Mehrwegeausbreitung hat. Der Hauptgrund für das Fehlen von vielen Mehrwegen liegt darin, dass für Millimeterwellenkommunikation Antennen mit hohem Gewinn eingesetzt werden müssen, um den hohen Pfadverlust zu kompensieren. Diese Richtantennen wirken als räumliche Filter, wodurch die Anzahl signifikanter Mehrwegekomponenten wirksam reduziert wird. Alle in dieser Arbeit vorgestellten Fälle sind durch einen oder zwei dominante Mehrwege gekennzeichnet. Daher kann der Funkkanal mittels eines Modells namens “two-wave with diffuse power” (TWDP) angemessen modelliert werden. Dieses TWDP-Modell erfasst die Interferenz von zwei nicht fluktuierenden Funksignalen und von vielen kleineren sogenannten diffusen Signalen. Bei dieser Untersuchung wird auch eine Verzögerungs-Doppler-Analyse durchgeführt, die auf den Daten der Fahrzeugmesskampagne basiert. Die Analyse zeigt, dass sich die hohe maximale Dopplerverschiebung nicht in der Dopplerspreizung widerspiegelt. Die Auswirkungen der Dopplerverschiebung sind aufgrund der räumlichen Filterung beschränkt. In dieser Arbeit wird kurz auf die Modellierung der TWDP-Modellparameter für ein vereinfachtes Szenario der Eisenbahnkommunikation eingegangen. Ebenso werden Auswirkungen des TWDP-Schwunds durch numerische Simulationen demonstriert.

Mobile communications has become so successful today that conventional radio technologies, in traditional frequency bands below 6 GHz, are soon reaching their limits. To be able to develop massively deployed, ubiquitous, data-hungry, mobile applications, this study explores the use of higher frequency bands, or so-called millimeter waves in mobile communications. These radio bands above 30 GHz are mostly unoccupied and have dozens of gigahertz of bandwidth available. Moreover, advances in electronics have now made it possible to utilize these bands cost effectively. This thesis studied the millimeter wave wireless channel through conducting the following experiments: (1) two indoor millimeter wave measurement campaigns with directive horn antennas on both link ends, (2) an outdoor vehicular millimeter wave measurement campaign employing a horn antenna and an omni directional antenna, and (3) a railway communications ray-tracing study with directive antennas on both sides. In all the cases, the data obtained show that the millimeter wave wireless channel has very limited multipath propagation. The main reason for the absence of a rich multipath propagation is because the millimeter wave wireless channel requires high-gain directive antennas that compensate for the path loss. These directive antennas act as spatial filters, thereby effectively reducing the number of significant multipath components. All the cases presented in this thesis are characterized by one or two dominant multipath components. Small-scale fading is hence adequately modeled with a model named two-wave with diffuse power (TWDP). This TWDP model captures the effect of interference of two non-fluctuating radio signals and of many smaller so-called diffuse signals. A delay-Doppler analysis is also performed in this research based on the data obtained from the vehicular measurement campaign. The analysis reveals that the high maximum Doppler shift is not reflected in the Doppler spread values. Again, the effects of the Doppler shift in this setup are suppressed due to spatial filtering. Lastly, this thesis briefly addresses the modeling of the TWDP model parameters for a simplified railway communications scenario, and demonstrates the implications of TWDP fading through numerical simulations.