Propagation measurement based study on relay networks

Von der nächsten Generation von Mobilfunksystemen erwartet man eine umfassende Versorgung mit breitbandigen Multimediadiensten. Um die dafür erforderliche flächendeckende Versorgung mit hohen Datenraten zu gewährleisten, können Relay-Netzwerke einen wesentlichen Beitrag liefern. Hierbei werden Netzwerkstationen mit Relay-Funktionalität in zellulare Netzwerke integriert. Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung Relay-basierter Netzwerke unter Verwendung von Ausbreitungsmessungen. Die Arbeit deckt Fragen zur Kanalmodellierung, Systemevaluierung bis hin zur Systemverifikation ab. - Zunächst wird ein auf Funkkanalmessungen beruhendes experimentelles Kanalmodell für Relay-Netzwerke vorgestellt. Im Weiteren werden technische Verfahren für Mehrfachzugriffs-Relay-Netzwerke MARN diskutiert. Die erreichbare Systemleistung wurde unter Verwendung von Rayleigh-Kanälen innerhalb einer Systemsimulation bestimmt und im Anschluss mit realen Kanälen, die sowohl direkt aus Funkkanalmessungen als auch indirekt aus dem bereits erwähnten Kanalmodell abgeleitet wurden, verifiziert. Bisherige Arbeiten zur Modellierung breitbandiger Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Kanäle berücksichtigen nicht oder nur sehr stark vereinfacht die Langzeitkorrelationseigenschaften zwischen den Links und werden damit der vermaschten und räumlich weit verteilten Topologie von Relay-Netzwerken gerecht. In der vorliegenden Dissertation erfolgte daher eine experimentelle Untersuchung zu den Korrelationseigenschaften von Large-Scale-Parametern LSP, die unter Verwendung von Funkkanalmessdaten aus urbanen Umgebungen und aus Innenräumen abgeleitet wurden. Die Ergebnisse hierzu fanden Eingang in das vom WINNER-Projekt entwickelte Kanalmodell. Sie erlauben damit eine realistischere Simulation von Relay-unterstützten Netzen. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit stellen technische Verfahren dar, die eine Erhöhung der Systemleistung in MARN mit unbekannter Interferenz UKIF versprechen. Im Einzelnen handelt es sich um die Mehrfachzugriffs-Kodierung MAC - die eine verbesserte Signaltrennung auf der Empfängerseite und eine Erhöhung des Datendurchsatzes erlaubt, den Entwurf eines Relay-Protokolls zur Erhöhung der Systemeffizienz, einen Minimum Mean Square Error (MMSE) Algorithmus zur Unterdrückung unbekannter Interferenzen bei Erhaltung der MAC-Signalstruktur mehrerer Mobilstationen MS, und ein fehlererkennungsbasiertes Signalauswahlverfahren zur Diversitätserhöhung. Die vorgenannten Verfahren werden in einer Systemsimulation zunächst mit Rayleigh-Kanälen evaluiert und demonstrieren die erzielbare theoretische Leistungssteigerung. Die Berücksichtigung realer Funkkanäle innerhalb der Systemsimulation zeigt allerdings, dass die theoretische Systemleistung so in der Realität nicht erreichbar ist. Die Ursache hierfür ist in den idealisierten Annahmen theoretischer Kanäle zu suchen. Für die Entwicklung künftiger Relay-Netzwerke bieten die in dieser Arbeit aufbereiteten Erkenntnisse hinsichtlich der Langzeitkorrelationseigenschaften zwischen den Links einen wertvollen Beitrag für die Abschätzung ihrer Systemleistung auf der Basis eines verbesserten Kanalmodells.Considering technological bases of next generation wireless systems, it is expected that systems can provide a variety of coverage requirements to support ubiquitous communications. To satisfy the requirements, an innovative idea, integrating network elements with a relaying capability into cellular networks, is one of the most promising solutions. The main topic of this dissertation is a propagation measurement based study on relay networks. The study includes three parts: channel modeling, performance evaluation, and verification. First of all, an empirical channel model for relay networks is proposed based on statistical analyses of measurement data. Then, advanced techniques for the throughput improvement and interference cancellation are proposed for Multiple Access Relay Networks (MARN) which are used as an example of relay networks. The performance of the considered MARN is evaluated for Rayleigh channels, and then verified for realistic channels, obtained from measurement data and from the experimental relay channel model as well. For relay channel modeling, the long-term correlation properties between links are of crucial importance due to the meshed-network topology. Although, there is a wide variety of research results for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) channel modeling available, the characterization of correlation properties has been significantly simplified or even completely ignored which motivates this research to be performed. In this dissertation, the experimental results of the correlation properties of Large Scale Parameters (LSP) are presented through the analysis on the real-field measurement data for both the urban and indoor scenarios. furthermore, the correlation properties have been fully introduced into the WINNER channel Model (WIM) for realistic relay channel simulations. As a further contribution of this dissertation, various advanced techniques are proposed for MARN in the presence of Unknown Interference (UKIF). Multiple Access Coding (MAC) is introduced as a multiple access technique. The use of MAC provides the signal separability at the receiver and improves throughput. Thereafter, high system resource efficiency can be achieved through relay protocol design. At the receiver, Minimum Mean Square Error (MMSE)-based spatial filtering is used to suppress UKIF while preserving multiple Mobile Station (MS)s’ MAC-encoded signal structure. Furthermore, an error detection aided signal selection technique is proposed for diversity increasing. The theoretical system performance with aforementioned techniques is simulated for Rayleigh channels. Thereafter, realistic channels are exploited for the performance verification. The gap between the theoretical performance and the realistic performance indicates that the assumptions made to the simplified Rayleigh-channels do not fully hold in reality. For the future relay system design, this work provides valuable information about the performance evaluation of relay networks in consideration of the correlation properties between links

Characterization and Emulation of Low-Voltage Power Line Channels for Narrowband and Broadband Communication

The demand for smart grid and smart home applications has raised the recent interest in power line communication (PLC) technologies, and has driven a broad set of deep surveys in low-voltage (LV) power line channels. This book proposes a set of novel approaches, to characterize and to emulate LV power line channels in the frequency range from0.15to 10 MHz, which closes gaps between the traditional narrowband (up to 500 kHz) and broadband (above1.8 MHz) ranges

Characterization and Emulation of Low-Voltage Power Line Channels for Narrowband and Broadband Communication

The demand for smart grid and smart home applications has raised the recent interest in power line communication (PLC) technologies, and has driven a broad set of deep surveys in low-voltage (LV) power line channels. This book proposes a set of novel approaches, to characterize and to emulate LV power line channels in the frequency range from0.15to 10 MHz, which closes gaps between the traditional narrowband (up to 500 kHz) and broadband (above1.8 MHz) ranges

Spatial Fading Channel Emulation for Over-the-air Testing of mmWave Radios: Concepts and Experimental Validations

Abstract Millimeter-wave (mmWave) communication is regarded as the key enabling component for fifth-generation (5G) cellular systems due to the large available spectrum bandwidth. To make mmWave new radio (NR) a reality, tremendous efforts have been exerted from the industry and academia. Performance evaluation of mmWave NR is a mandatory step and the key to ensuring the success of mmWave 5G deployment. Over-the-air (OTA) radiated method of testing mmWave NR in laboratory conditions is highly attractive, since it facilitates virtual field testing of mmWave devices in realistic propagation conditions. In this paper, we first discuss the need for and challenges in OTA measurement of mmWave 5G NR under fading channel conditions. After that, two promising candidate solutions, i.e., wireless cable and multi-probe anechoic chamber (MPAC), are detailed. Their principles, applicability for mmWave NR, and main challenges are discussed. Furthermore, preliminary experimental validation results in a frequency range 2 anechoic chamber are demonstrated for the wireless cable and MPAC methods at 28 GHz

State-of-the-art assessment of 5G mmWave communications

Deliverable D2.1 del proyecto 5GWirelessMain objective of the European 5Gwireless project, which is part of the H2020 Marie Slodowska- Curie ITN (Innovative Training Networks) program resides in the training and involvement of young researchers in the elaboration of future mobile communication networks, focusing on innovative wireless technologies, heterogeneous network architectures, new topologies (including ultra-dense deployments), and appropriate tools. The present Document D2.1 is the first deliverable of Work- Package 2 (WP2) that is specifically devoted to the modeling of the millimeter-wave (mmWave) propagation channels, and development of appropriate mmWave beamforming and signal processing techniques. Deliver D2.1 gives a state-of-the-art on the mmWave channel measurement, characterization and modeling; existing antenna array technologies, channel estimation and precoding algorithms; proposed deployment and networking techniques; some performance studies; as well as a review on the evaluation and analysis toolsPostprint (published version

On the Road to 6G: Visions, Requirements, Key Technologies and Testbeds

Fifth generation (5G) mobile communication systems have entered the stage of commercial development, providing users with new services and improved user experiences as well as offering a host of novel opportunities to various industries. However, 5G still faces many challenges. To address these challenges, international industrial, academic, and standards organizations have commenced research on sixth generation (6G) wireless communication systems. A series of white papers and survey papers have been published, which aim to define 6G in terms of requirements, application scenarios, key technologies, etc. Although ITU-R has been working on the 6G vision and it is expected to reach a consensus on what 6G will be by mid-2023, the related global discussions are still wide open and the existing literature has identified numerous open issues. This paper first provides a comprehensive portrayal of the 6G vision, technical requirements, and application scenarios, covering the current common understanding of 6G. Then, a critical appraisal of the 6G network architecture and key technologies is presented. Furthermore, existing testbeds and advanced 6G verification platforms are detailed for the first time. In addition, future research directions and open challenges are identified for stimulating the on-going global debate. Finally, lessons learned to date concerning 6G networks are discussed

Estimation of Radio Channel Parameters

Kurzfassung Diese Dissertation behandelt die Schätzung der Modellparameter einer Momentanaufnahme des Mobilfunkkanals. Das besondere Augenmerk liegt zum einen auf der Entwicklung eines generischen Datenmodells für den gemessenen Funkkanal, welches für die hochauflösende Parameterschätzung geeignet ist. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines robusten Parameterschätzers für die Bestimmung der Parameter des entworfenen Modells aus Funkkanalmessdaten. Entsprechend dieser logischen Abfolge ist auch der Aufbau dieser Arbeit. Im ersten Teil wird ausgehend von einem aus der Literatur bekannten strahlenoptischen Modell eine algebraisch handhabbare Darstellung von beobachteten Wellenausbreitungspfaden entwickelt. Das mathematische Modell erlaubt die Beschreibung von SISO (single-input-single-output)- Übertragungssystemen, also von Systemen mit einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne, als auch die Beschreibung von solchen Systemen mit mehreren Sende- und/oder Empfangsantennen. Diese Systeme werden im Allgemeinen auch als SIMO- (single-input-multiple-output), MISO- (multiple-input-single-output) oder MIMO-Systeme (multiple-input-multiple-output) bezeichnet. Im Gegensatz zu bekannten Konzepten enthält das entwickelte Modell keine Restriktionen bezüglich der modellierbaren Antennenarrayarchitekturen. Dies ist besonders wichtig in Hinblick auf die möglichst vollständige Erfassung der räumlichen Struktur des Funkkanals. Die Flexibilität des Modells ist eine Grundvoraussetzung für die optimale Anpassung der Antennenstruktur an die Messaufgabe. Eine solche angepasste Antennenarraystruktur ist zum Beispiel eine zylindrische Anordnung von Antennenelementen. Sie ist gut geeignet für die Erfassung der räumlichen Struktur des Funkkanals (Azimut und Elevation) in so genannten Outdoor- Funkszenarien. Weiterhin wird im ersten Teil eine neue Komponente des Funkkanaldatenmodells eingeführt, welche den Beitrag verteilter (diffuser) Streuungen zur Funkübertragung beschreibt. Die neue Modellkomponente spielt eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung eines robusten Parameterschätzers im Hauptteil dieser Arbeit. Die fehlende Modellierung der verteilten Streuungen ist eine der Hauptursachen für die begrenzte Anwendbarkeit und die oft kritisierte fehlende Robustheit von hochauflösenden Funkkanalparameterschätzern, die in der Literatur etabliert sind. Das neue Datenmodell beschreibt die so genannten dominanten Ausbreitungspfade durch eine deterministische Abbildung der Pfadparameter auf den gemessenen Funkkanal. Der Beitrag der verteilten Streuungen wird mit Hilfe eines zirkularen mittelwertfreien Gaußschen Prozesses beschrieben. Die Modellparameter der verteilten Streuungen beschreiben dabei die Kovarianzmatrix dieses Prozesses. Basierend auf dem entwickelten Datenmodell wird im Anschluss kurz über aktuelle Konzepte für Funkkanalmessgeräte, so genannte Channel-Sounder, diskutiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden in erster Linie Ausdrücke zur Bestimmung der erzielbaren Messgenauigkeit eines Channel-Sounders abgeleitet. Zu diesem Zweck wird die untere Schranke für die Varianz der geschätzten Modellparameter, das heißt der Messwerte, bestimmt. Als Grundlage für die Varianzabschätzung wird das aus der Parameterschätztheorie bekannte Konzept der Cramér-Rao-Schranke angewandt. Im Rahmen der Ableitung der Cramér-Rao-Schranke werden außerdem wichtige Gesichtspunkte für die Entwicklung eines effizienten Parameterschätzers diskutiert. Im dritten Teil der Arbeit wird ein Schätzer für die Bestimmung der Ausbreitungspfadparameter nach dem Maximum-Likelihood-Prinzip entworfen. Nach einer kurzen Übersicht über existierende Konzepte zur hochauflösenden Funkkanalparameterschätzung wird die vorliegende Schätzaufgabe analysiert und in Hinsicht ihres Typs klassifiziert. Unter der Voraussetzung, dass die Parameter der verteilten Streuungen bekannt sind, lässt sich zeigen, daß sich die Schätzung der Parameter der Ausbreitungspfade als ein nichtlineares gewichtetes kleinstes Fehlerquadratproblem auffassen lässt. Basierend auf dieser Erkenntnis wird ein generischer Algorithmus zur Bestimmung einer globalen Startlösung für die Parameter eines Ausbreitungspfades vorgeschlagen. Hierbei wird von dem Konzept der Structure-Least-Squares (SLS)-Probleme Gebrauch gemacht, um die Komplexität des Schätzproblems zu reduzieren. Im folgenden Teil dieses Abschnitts wird basierend auf aus der Literatur bekannten robusten numerischen Algorithmen ein Schätzer zur genauen Bestimmung der Ausbreitungspfadparameter abgeleitet. Im letzten Teil dieses Abschnitts wird die Anwendung unterraumbasierter Schätzer zur Bestimmung der Ausbreitungspfadparameter diskutiert. Es wird ein speichereffizienter Algorithmus zur Signalraumschätzung entwickelt. Dieser Algorithmus ist eine Grundvoraussetzung für die Anwendung von mehrdimensionalen Parameterschätzern wie zum Beispiel des R-D unitary ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) zur Bestimmung von Funkkanalparametern aus MIMO-Funkkanalmessungen. Traditionelle Verfahren zur Signalraumschätzung sind hier im Allgemeinen nicht anwendbar, da sie einen zu großen Speicheraufwand erfordern. Außerdem wird in diesem Teil gezeigt, dass ESPRIT-Algorithmen auch zur Parameterschätzung von Daten mit so genannter versteckter Rotations-Invarianzstruktur eingesetzt werden können. Als Beispiel wird ein ESPRIT-basierter Algorithmus zur Richtungsschätzung in Verbindung mit multibeam-Antennenarrays (CUBA) abgeleitet. Im letzten Teil dieser Arbeit wird ein Maximum-Likelihood-Schätzer für die neue Komponente des Funkkanals, welche die verteilten Streuungen beschreibt, entworfen. Ausgehend vom Konzept des iterativen Maximum-Likelihood-Schätzers wird ein Algorithmus entwickelt, der hinreichend geringe numerische Komplexität besitzt, so dass er praktisch anwendbar ist. In erster Linie wird dabei von der Toeplitzstruktur der zu schätzenden Kovarianzmatrix Gebrauch gemacht. Aufbauend auf dem Schätzer für die Parameter der Ausbreitungspfade und dem Schätzer für die Parameter der verteilten Streuungen wird ein Maximum-Likelihood-Schätzer entwickelt (RIMAX), der alle Parameter des in Teil I entwickelten Modells der Funkanalmessung im Verbund schätzt. Neben den geschätzten Parametern des Datenmodells liefert der Schätzer zusätzlich Zuverlässigkeitsinformationen. Diese werden unter anderem zur Bestimmung der Modellordnung, das heißt zur Bestimmung der Anzahl der dominanten Ausbreitungspfade, herangezogen. Außerdem stellen die Zuverlässigkeitsinformationen aber auch ein wichtiges Schätzergebnis dar. Die Zuverlässigkeitsinformationen machen die weitere Verarbeitung und Wertung der Messergebnisse möglich.The theme of this thesis is the estimation of model parameters of a radio channel snapshot. The main focus was the development of a general data model for the measured radio channel, suitable for both high resolution channel parameter estimation on the one hand, and the development of a robust parameter estimator for the parameters of the designed parametric radio channel model, in line with this logical work flow is this thesis. In the first part of this work an algebraic representation of observed propagation paths is developed using a ray-optical model known from literature. The algebraic framework is suitable for the description of SISO (single-input-single-output) radio transmission systems. A SISO system uses one antenna as the transmitter (Tx) and one antenna as the receiver (Rx). The derived expression for the propagation paths is also suitable to describe SIMO (single-input-multiple-output), MISO (multiple-input-single-output), and MIMO (multiple-input-multiple-output) radio channel measurements. In contrast to other models used for high resolution channel parameter estimation the derived model makes no restriction regarding the structure of the antenna array used throughout the measurement. This is important since the ultimate goal in radio channel sounding is the complete description of the spatial (angular) structure of the radio channel at Tx and Rx. The flexibility of the data model is a prerequisite for the optimisation of the antenna array structure with respect to the measurement task. Such an optimised antenna structure is a stacked uniform circular beam array, i.e., a cylindrical arrangement of antenna elements. This antenna array configuration is well suited for the measurement of the spatial structure of the radio channel at Tx and/or Rx in outdoor-scenarios. Furthermore, a new component of the radio channel model is introduced in the first part of this work. It describes the contribution of distributed (diffuse) scattering to the radio transmission. The new component is key for the development of a robust radio channel parameter estimator, which is derived in the main part of this work. The ignorance of the contribution of distributed scattering to radio propagation is one of the main reasons why high-resolution radio channel parameter estimators fail in practice. Since the underlying data model is wrong the estimators produce erroneous results. The improved model describes the so called dominant propagation paths by a deterministic mapping of the propagation path parameters to the channel observation. The contribution of the distributed scattering is modelled as a zero-mean circular Gaussian process. The parameters of the distributed scattering process determine the structure of the covariance matrix of this process. Based on this data model current concepts for radio channel sounding devices are discussed. In the second part of this work expressions for the accuracy achievable by a radio channel sounder are derived. To this end the lower bound on the variance of the measurements i.e. the parameter estimates is derived. As a basis for this evaluation the concept of the Cramér-Rao lower bound is employed. On the way to the Cramér-Rao lower bound for all channel model parameters, important issues for the development of an appropriate parameter estimator are discussed. Among other things the coupling of model parameters is also discussed. In the third part of this thesis, an estimator, for the propagation path parameters is derived. For the estimator the 'maximum-likelihood' approach is employed. After a short overview of existing high-resolution channel parameter estimators the estimation problem is classified. It is shown, that the estimation of the parameters of the propagation paths can be understood as a nonlinear weighted least squares problem, provided the parameters of the distributed scattering process are known. Based on this observation a general algorithm for the estimation of raw parameters for the observed propagation paths is developed. The algorithm uses the concept of structured-least-squares (SLS) and compressed maximum likelihood to reduce the numerical complexity of the estimation problem. A robust estimator for the precise estimation of the propagation path parameters is derived. The estimator is based on concepts well known from nonlinear local optimisation theory. In the last part of this chapter the application of subspace based parameter estimation algorithms for path parameter estimation is discussed. A memory efficient estimator for the signal subspace needed by, e.g., R-D unitary ESPRIT is derived. This algorithm is a prerequisite for the application of signal subspace based algorithms to MIMO-channel sounding measurements. Standard algorithms for signal subspace estimation (economy size SVD, singular value decomposition) are not suitable since they require an amount of memory which is too large. Furthermore, it is shown that ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) based algorithms can also be employed for parameter estimation from data having hidden rotation invariance structure. As an example an ESPRIT algorithm for angle estimation using circular uniform beam arrays (circular multi-beam antennas) is derived. In the final part of this work a maximum likelihood estimator for the new component of the channel model is developed. Starting with the concept of iterative maximum likelihood estimation, an algorithm is developed having a low computational complexity. The low complexity of the algorithm is achieved by exploiting the Toeplitz-structure of the covariance matrix to estimate. Using the estimator for the (concentrated, dominant, specular-alike) propagation paths and the parametric estimator for the covariance matrix of the process describing the distributed diffuse scattering a joint estimator for all channel parameter is derived (RIMAX). The estimator is a 'maximum likelihood' estimator and uses the genuine SAGE concept to reduce the computational complexity. The estimator provides additional information about the reliability of the estimated channel parameters. This reliability information is used to determine an appropriate model for the observation. Furthermore, the reliability information i.e. the estimate of the covariance matrix of all parameter estimates is also an important parameter estimation result. This information is a prerequisite for further processing and evaluation of the measured channel parameters

An Analysis of the Unmanned Aerial Systems-to-Ground Channel and Joint Sensing and Communications Systems Using Software Defined Radio

abstract: Software-defined radio provides users with a low-cost and flexible platform for implementing and studying advanced communications and remote sensing applications. Two such applications include unmanned aerial system-to-ground communications channel and joint sensing and communication systems. In this work, these applications are studied. In the first part, unmanned aerial system-to-ground communications channel models are derived from empirical data collected from software-defined radio transceivers in residential and mountainous desert environments using a small (< 20 kg) unmanned aerial system during low-altitude flight (< 130 m). The Kullback-Leibler divergence measure was employed to characterize model mismatch from the empirical data. Using this measure the derived models accurately describe the underlying data. In the second part, an experimental joint sensing and communications system is implemented using a network of software-defined radio transceivers. A novel co-design receiver architecture is presented and demonstrated within a three-node joint multiple access system topology consisting of an independent radar and communications transmitter along with a joint radar and communications receiver. The receiver tracks an emulated target moving along a predefined path and simultaneously decodes a communications message. Experimental system performance bounds are characterized jointly using the communications channel capacity and novel estimation information rate.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201