Empirical multi-band characterization of propagation with modelling aspects for communictions

Diese Arbeit präsentiert eine empirische Untersuchung der Wellenausbreitung für drahtlose Kommunikation im Millimeterwellen- und sub-THz-Band, wobei als Referenz das bereits bekannte und untersuchte sub-6-GHz-Band verwendet wird. Die großen verfügbaren Bandbreiten in diesen hohen Frequenzbändern erlauben die Verwendung hoher instantaner Bandbreiten zur Erfüllung der wesentlichen Anforderungen zukünftiger Mobilfunktechnologien (5G, “5G and beyond” und 6G). Aufgrund zunehmender Pfad- und Eindringverluste bei zunehmender Trägerfrequenz ist die resultierende Abdeckung dabei jedoch stark reduziert. Die entstehenden Pfadverluste können durch die Verwendung hochdirektiver Funkschnittstellen kompensiert werden, wodurch die resultierende Auflösung im Winkelbereich erhöht wird und die Notwendigkeit einer räumlichen Kenntnis der Systeme mit sich bringt: Woher kommt das Signal? Darüber hinaus erhöhen größere Anwendungsbandbreiten die Auflösung im Zeitbereich, reduzieren das small-scale Fading und ermöglichen die Untersuchung innerhalb von Clustern von Mehrwegekomponenten. Daraus ergibt sich für Kommunikationssysteme ein vorhersagbareres Bild im Winkel-, Zeit- und Polarisationsbereich, welches Eigenschaften sind, die in Kanalmodellen für diese Frequenzen widergespiegelt werden müssen. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit eine umfassende Charakterisierung der Wellenausbreitung durch simultane Multibandmessungen in den sub-6 GHz-, Millimeterwellen- und sub-THz-Bändern vorgestellt. Zu Beginn wurde die Eignung des simultanen Multiband-Messverfahrens zur Charakterisierung der Ausbreitung von Grenzwert-Leistungsprofilen und large-scale Parametern bewertet. Anschließend wurden wichtige Wellenausbreitungsaspekte für die Ein- und Multibandkanalmodellierung innerhalb mehrerer Säulen der 5G-Technologie identifiziert und Erweiterungen zu verbreiteten räumlichen Kanalmodellen eingeführt und bewertet, welche die oben genannten Systemaspekte abdecken.This thesis presents an empirical characterization of propagation for wireless communications at mm-waves and sub-THz, taking as a reference the already well known and studied sub-6 GHz band. The large blocks of free spectrum available at these high frequency bands makes them particularly suitable to provide the necessary instantaneous bandwidths to meet the requirements of future wireless technologies (5G, 5G and beyond, and 6G). However, isotropic path-loss and penetration-loss are larger with increasing carrier frequency, hence, coverage is severely reduced. Path-loss can be compensated with the utilization of highly directive radio-interfaces, which increases the resolution in the angular domain. Nonetheless, this emphasizes the need of spatial awareness of systems, making more relevant the question “where does the signal come from?” In addition, larger application bandwidths increase the resolution in the time domain, reducing small-scale fading and allowing to observe inside of clusters of multi-path components (MPCs). Consequently, communication systems have a more deterministic picture of the environment in the angular, time, and polarization domain, characteristics that need to be reflected in channel models for these frequencies. Therefore, in the present work we introduce an extensive characterization of propagation by intensive simultaneous multi-band measurements in the sub-6 GHz, mm-waves, and sub-THz bands. Firstly, the suitability of the simultaneous multi-band measurement procedure to characterize propagation from marginal power profiles and large-scale parameters (LSPs) has been evaluated. Then, key propagation aspects for single and multi-band channel modelling in several verticals of 5G have been identified, and extensions to popular spatial channel models (SCMs) covering the aforementioned system aspects have been introduced and evaluated

5G 3GPP-like Channel Models for Outdoor Urban Microcellular and Macrocellular Environments

For the development of new 5G systems to operate in bands up to 100 GHz, there is a need for accurate radio propagation models at these bands that currently are not addressed by existing channel models developed for bands below 6 GHz. This document presents a preliminary overview of 5G channel models for bands up to 100 GHz. These have been derived based on extensive measurement and ray tracing results across a multitude of frequencies from 6 GHz to 100 GHz, and this document describes an initial 3D channel model which includes: 1) typical deployment scenarios for urban microcells (UMi) and urban macrocells (UMa), and 2) a baseline model for incorporating path loss, shadow fading, line of sight probability, penetration and blockage models for the typical scenarios. Various processing methodologies such as clustering and antenna decoupling algorithms are also presented.Comment: To be published in 2016 IEEE 83rd Vehicular Technology Conference Spring (VTC 2016-Spring), Nanjing, China, May 201

Millimeter wave radio channels: properties, multipath modeling and simulations

Based on the characterization of realistic radio channels, results presented in this dissertation lead towards an understanding that when moving up to the higher frequencies, frequency itself does not play a significant role in defining the channel modeling methodology. In fact, how a propagation channel is illuminated is of fundamental importance. Therefore, millimeter wave (mmWave) system properties such as a high antenna directivity and system bandwidth are shown to have a great influence on the channel model definition. In this thesis, a fundamental assumption made in the state-of-the-art millimeter wave wireless channel models is challenged. It has been shown that Rayleigh-Rice fading assumption made in the state-of-the-art channel models for resolvable channel taps does not remain valid. This is mainly due to the sparse multipath illumination caused by high antenna directivity and high bandwidth of a mmWave system.Studies presented in this thesis are based on the characterization of realistic radio channels obtained from exhaustive channel sounding campaigns. Mainly, three fundamental problems of wireless channel modelling have been investigated for millimetre wave (mmWave) radio channel modelling application, namely (i) Frequency dependence of propagation, (ii) Impact of antenna directivity on the channel model definition, and (iii) Impact of system bandwidth on the radio channel modelling. A detailed description of these problems is as follows: (i) Frequency Dependence of Propagation. Multi-band measurement campaigns arecarried out using directional antennas which do an omni-directional scan of the propagation environment. During the measurements, Tx-Rx systems are placed at fixed positions and the propagation environment remained as static as possible. Using synthesized omni-directional power delay profiles (PDPs), we aim to investigate if there exists a frequency dependency in the multipath dispersion statistics, e.g. delay and angular spreads. (ii) Impact of Antenna Directivity on the Channel Model Definition. Small-scale fading measurements are carried out which emulate a scenario, where a radio communication link is established through a single multipath cluster which is illuminated using antennas with different Half Power Beam Widths (HPBW). The major goal here is to investigate the impact of spatial multipath filtering on the small-scale fading due to high antenna directivity. In particular, the impact on variations in the receive signal strength and the validity of narrowband wide-sense stationary assumption (both in time and frequency domains) is investigated. (iii) Impact of System Bandwidth on the Radio Channel Modelling. Small-scale fading measurements are used to illuminate multipath clusters in a lecture room scenario. The primary objective is to investigate the impact of high system bandwidth on variations in the receive signal strength, randomness in the cross-polarization power ratio (XPR) and richness of the multipath scattering. Based on the characterization of realistic radio channels, results presented in this dissertation lead towards an understanding that when moving up to the higher frequencies, frequency itself does not play a significant role in defining the channel modelling methodology. In fact, how a propagation channel is illuminated is of fundamental importance. Therefore, mmWave system properties such as a high antenna directivity and system bandwidth are shown to have a high influence on the channel model definition. In general, fade depth scaling as a function of system bandwidth is quite well understood. We demonstrate that, the high antenna directivity of mmWave systems result in a further reduction in the fading depth. In addition, we explore some new directions to this line of research which are based on the second-order statistical analysis of the channel impulse response (CIR) vector. Our results emphasize that, fading statistics of resolvable channel taps in a mmWave radio channel cannot be modelled as Rayleigh-Rice distributed random variables. This is primarily due to the fact that channels with sparse scattering conditions are illuminated due to high antenna directivity and bandwidth of mmWave systems. Consequently, the complex Gaussian random variable assumption associated with Rayleigh-Rice fading distributions does not remain valid. Further, it has been demonstrated that, high antenna directivity and bandwidth of mmWave systems also raise a question mark on the validity of wide-sense stationary (WSS) assumption in the slow-time domain of mmWave radio channels. Results presented in this contribution are novel and they provide theoretically consistent insights into the measured radio channel.In dieser Arbeit werden drei grundlegende Probleme der Modellierung von Drahtloskanalen fur die Anwendung bei der Funkkanalmodellierung im Millimeterwellenbereich (mmWave) untersucht, namlich (i) die Frequenzabhangigkeit der Ausbreitung, (ii) der Einfluss der Antennenrichtwirkung auf die Definition des Kanalmodells und (iii) der Einfluss der Systembandbreite auf die Funkkanalmodellierung. Die detaillierte Beschreibung dieser Probleme lautet wie folgt: (i) Frequenzabhangigkeit der Ausbreitung. Mehrband-Messkampagnen werden mitRichtantennen durchgefuhrt, die eine omnidirektionale Abtastung der Ausbreitungsumgebung vornehmen. Wahrend der Messungen werden die Tx-Rx-Systeme an festen Positionen platziert und die Ausbreitungsumgebung bleibt so statisch wie moglich. Mit Hilfe von synthetisierten omnidirektionalen Verzogerungs-Leistungsprofilen soll untersucht werden, ob es eine Frequenzabhangigkeit in der Mehrwegeausbreitungsstatistik gibt, z.B. in der Verzogerung und der Winkelspreizung. (ii) Einfluss der Antennenrichtwirkung auf die Definition des Kanalmodells. Es werden Messungen des schnellen Schwunds durchgefuhrt, die ein Szenario emulieren, bei dem eine Funkverbindung uber ein einzelnes Mehrwege-Cluster aufgebaut wird, das mit Antennen mit unterschiedlichen Strahlbreiten ausgeleuchtet wird. Das Hauptzielist hier die Untersuchung des Einflusses der raumlichen Filterung auf den schnellen Schwund aufgrund der hohen Antennenrichtwirkung. Insbesondere wird die Auswirkung auf Variationen der Empfangssignalstarke und die Gultigkeit der Annahme der schmalbandigen Stationaritat im weiteren Sinne (sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich) untersucht. (iii) Einfluss der Systembandbreite auf die Funkkanalmodellierung. Messungen desschnellen Schwunds werden verwendet, um Mehrwege-Cluster in einem Horsaal-Szenario auszuleuchten. Das primare Ziel ist es, den Einfluss einer hohen Systembandbreite auf die Variationen der Empfangssignalstarke, die Zufalligkeit des Kreuzpolarisationsverhaltnisses und die Reichhaltigkeit der Mehrwegstreuung zu untersuchen. Basierend auf der Charakterisierung realistischer Funkkanäle führen die in dieser Dissertation vorgestellten Ergebnisse zu dem Verständnis, dass beim Ubergang zu höheren Frequenzen die Frequenz x selbst keine signifikante Rolle bei der Definition der Kanalmodellierungsmethodik spielt. Vielmehr ist es von grundlegender Bedeutung, wie ein Ausbreitungskanal ausgeleuchtet wird. Daher zeigt sich, dass mmWave-Systemeigenschaften wie eine hohe Antennenrichtcharakteristik und Systembandbreite einen hohen Einfluss auf die Definition des Kanalmodells haben. Im Allgemeinen ist die Skalierung der Schwundtiefe als Funktion der Systembandbreite ziemlich gut verstanden. Wir zeigen, dass die hohe Antennenrichtwirkung von mmWave-Systemen zu einer weiteren Reduzierung der Schwundtiefe führt. Zusätzlich erforschen wir einige neue Richtungen in diesem Forschungsbereich, die auf der Analyse der Statistik zweiter Ordnung des Kanalimpulsantwort-Vektors basieren. Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass die Schwund-Statistiken der auflösbaren Kanalabgriffe in einem mmWave-Funkkanal nicht als Rayleigh-Rice-verteilte Zufallsvariablen modelliert werden können. Dies liegt vor allem daran, dass durch die hohe Antennenrichtwirkung und Bandbreite von mmWave-Systemen Kanale mit spärlichen Streubedingungen ausgeleuchtet werden. Folglich ist die Annahme komplexer Gaus’scher Zufallsvariablen, die mit Rayleigh-Rice Schwundverteilungen verbunden ist, nicht mehr gültig. Des Weiteren wird gezeigt, dass die hohe Antennenrichtwirkung und Bandbreite von mmWave-Systemen auch die Gültigkeit der Annahme von Stationarität im weiteren Sinne im Slow-Time-Bereich von mmWave-Funkkanälen in Frage stellt. Die in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnisse sind neuartig und bieten theoretisch konsistente Einblicke in den gemessenen Funkkanal

Mobile 5G millimeter-wave multi-antenna systems

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6G Wireless Systems: Vision, Requirements, Challenges, Insights, and Opportunities

Mobile communications have been undergoing a generational change every ten years or so. However, the time difference between the so-called "G's" is also decreasing. While fifth-generation (5G) systems are becoming a commercial reality, there is already significant interest in systems beyond 5G, which we refer to as the sixth-generation (6G) of wireless systems. In contrast to the already published papers on the topic, we take a top-down approach to 6G. We present a holistic discussion of 6G systems beginning with lifestyle and societal changes driving the need for next generation networks. This is followed by a discussion into the technical requirements needed to enable 6G applications, based on which we dissect key challenges, as well as possibilities for practically realizable system solutions across all layers of the Open Systems Interconnection stack. Since many of the 6G applications will need access to an order-of-magnitude more spectrum, utilization of frequencies between 100 GHz and 1 THz becomes of paramount importance. As such, the 6G eco-system will feature a diverse range of frequency bands, ranging from below 6 GHz up to 1 THz. We comprehensively characterize the limitations that must be overcome to realize working systems in these bands; and provide a unique perspective on the physical, as well as higher layer challenges relating to the design of next generation core networks, new modulation and coding methods, novel multiple access techniques, antenna arrays, wave propagation, radio-frequency transceiver design, as well as real-time signal processing. We rigorously discuss the fundamental changes required in the core networks of the future that serves as a major source of latency for time-sensitive applications. While evaluating the strengths and weaknesses of key 6G technologies, we differentiate what may be achievable over the next decade, relative to what is possible.Comment: Accepted for Publication into the Proceedings of the IEEE; 32 pages, 10 figures, 5 table