Antenna selection for compact multiple antenna communication systems

Abstract

Mehrfachantennen-Kommunikation (MIMO) ist eine sehr vielversprechende Technologie für die nächste Generation drahtloser Übertragungssysteme, die eine erhöhte Nachfrage nach Datenrate, Dienstqualität und Bandbreiten-E_zienz haben. Diese Arbeit beschäftigt sich mit mehrfach polarisierten Antennen zur Signalübertragung, ein wichtiges Thema für den praktischen Einsatz von Mehrfachantennen-Systemen. Die MIMO-Architektur hat das Potenzial, die Leistungsfähigkeit von Funksystemen deutlich zu verbessern. Ein Schwerpunkt der Forschung hat sich auf uni-polarisierte räumliche MIMO-Kon_gurationen fokussiert, deren Leistungsfähigkeit stark vom Abstand der Einzelelemente abhängt. Daher scheint der aktuelle Trend der Miniaturisierung im Widerspruch mit der Umsetzung in kompakte, tragbare Handgeräte zu stehen. In diesem Zusammenhang stellen dualpolarisierte und dreifach-polarisierte Antennen eine attraktive Alternative für die Realisierung von kompakten MIMO-Architekturen dar. Im Gegensatz zu räumlicher Diversität sind die Unterkanäle des MIMO Kanals bei Polarisationsdiversität nicht identisch verteilt. Sie unterscheiden sich in Bezug auf die durchschnittliche Empfangsleistung, Verteilungsfunktion der Einhüllenden sowie ihrer Korrelationseigenschaften. Der Hauptnachteil der MIMO-Architektur ist, dass die Erhöhung der Kapazität zum Preis von erhöhter Hardware Komplexität kommt. Antennenauswahl ist eine Technik, mit deren Hilfe diese Kosten verringert werden können. Wir betonen, dass diese Strategie umso relevanter für kompakte Gerte ist, die oft durch Komplexität, Leistung und Kosten begrenzt sind. Mit der theoretischen Analyse untersucht diese Arbeit die Leistung der Antennenauswahl in dual-polarisierte und dreifachpolarisierten Antennen zur MIMO Übertragung. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Antennenauswahl, wenn sie mit Mehrfach-polarisierten Antennen kombiniert wird, eine effektive Lösung geringer Komplexität darstellt, welche für die Realisierung von MIMO-Architekturen in kompakten Geräten geeignet ist.<br />In dieser Arbeit werden die Vorteile kompakter Antennen-Strukturen mit Antennen Auswahl kombiniert, wodurch eine Verringerung der Größe des Endgeräts erreicht wird. Die Größenreduktion wirkt sowohl im Antennen-Bereich als auch im RF-Schaltungsbereich. Die Größenreduktion der Antennenfelder erreicht man durch mehrfach polarisierte Antennen, während die Schaltungsreduktion dadurch erreicht wird, dass durch Antennenauswahl nun weniger RF-Anteile benötigt werden. Wir analysieren die Leistungsfähigkeit von so-genannten N-Spoke Antennenanordnungen hinsichtlich der Kanal-Gewinne und Kapaziät und vergleichen diese mit räumlich verteilten Strukturen, mit und ohne Antennenauswahl.<br />In unserer Arbeit betrachten wir ebenso andere kompakte Antennenstrukturen mit Polarisationseffekten jeweils mit und ohne Antennauswahl. Ausgehend von zweidimensionalen Antennenfeldern gehen wir auf dreidimensionale Felder mit dreifacher Polarisation über. Zur Herleitung der Auswahlgewinne solcher Systeme verwenden wir probabilistische Ansätze, die es uns ermölichen Ausfallwahrscheinlichkeiten zu berechnen. Ebenso untersuchen wir die Leistungsfähigkeit im Hinblick auf räumlich gemultiplexte Daten und blockkodierte (STBC) Daten in verschiedenen Kanal-Szenarien. Konvexe Optimierungstechniken wurden für die optimale Auswahl eingeführt und so die Komplexität in mehrfach polarisierten Antennanordnungen reduziert.<br />

Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) communications is a very promising technology for next generation wireless systems that have an increased demand for data rate, quality of service, and bandwidth efficiency. This thesis deals with multiple polarized antennas for MIMO transmissions, an important issue for the practical deployment of multiple antenna systems. The MIMO architecture has the potential to dramatically improve the performance of wireless systems. Much of the focus of research has been on uni-polarized spatial MIMO configurations, the performance of which, is a strong function of the inter-element spacing. Thus the current trend of miniaturization, seems to be at odds with the implementation of spatial con figurations in portable hand held devices. In this regard, dual-polarized and triple-polarized antennas present an attractive alternative for realizing MIMO architectures in compact devices. Unlike spatial channels, in the presence of polarization diversity, the sub-channels of the MIMO channel matrix are not identically distributed. They differ in terms of average received power, envelope distributions, and correlation properties.<br />The main drawback of the MIMO architecture is that the gain in capacity comes at a cost of increased hardware complexity. Antenna selection is a technique by which we can alleviate this cost. We emphasize that this strategy is all the more relevant for compact devices, which are often constrained by complexity, power and cost. Using theoretical analysis and measurement results, this thesis investigates the performance of antenna selection in dual-polarized and triple-polarized antennas for MIMO transmissions.<br />In this thesis we combined the bene ts of compact antenna structures with antenna selection, effectively reducing the size of the complete user device. The reduction is both in the size of antenna arrays and in the Radio Frequency (RF) domain. The reduction in array size is achieved by using multi-polarized antenna systems. The reduction of complexity and size in the RF domain is achieved by using fewer RF chains than the actual number of antenna elements available by implementing antenna selection techniques. We analyze the performance of N-spoke arrays in terms of channel gains and compare this with the spatial structures, with and without antenna selection. We address the practical issue of mutual coupling and derive capacity bounds as a performance measure.<br />In our thesis we also incorporate many other compact antenna structures having both polarization and pattern diversity with and without antenna selection. We then compare their performances in terms of capacity. From two dimensional array structures we move on to three dimensional arrays namely triple-polarized systems. We use a probabilistic approach to derive the selection gains of such systems with antenna selection at both ends. This is further used to calculate the outages of such systems. Performance of such systems in terms of spatially multiplexed data and Space Time Block Coding (STBC) data is also analyzed for various channel scenarios. Convex optimization techniques are applied for calculating the best possible antennas selected to reduce the complexity for multi-polarized systems.