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Applied electromagnetic environment cognition to improve a radio communication link

Avilés Castillo, Juan (2017). Applied electromagnetic environment cognition to improve a radio communication link. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

With the continuous adoption of mobile devices, the cellular wireless capacity is projected to grow at rates that would not be supported in current microwave networks, therefore, a high interest in millimeter-wave bands (30-300 GHz) has risen since they provide the possibility of a larger spectrum allocation compared to the one below 3 GHz. Specifically, the 28-38 GHz band is currently considered to have a high potential to provide fifth generation cellular services. In this regard, field measurements show that viable links, even in non-line of sight conditions, can be established within a radius of 200 meters but these need to be found with the help of directional antennas. This scheme is different from the one used in current cellular systems in which the application of directional antennas is normally applied after the network access is completed and not for the access itself. Channel estimation implemented with hybrid beamforming methods have been proposed as solutions but at the expense of more than one radio frequency chain. On the other hand, compressed sensing channel estimation techniques which take advantage of the sparse characteristics of the millimeter-wave channels giving an accurate representation of the power angle profile and a very much reduced beamforming overhead turns to be sensitive to additive noise. This latter effect can produce an impact mostly in non-line of sight locations where the signal power may not be high enough.

In this work, we take advantage of the site-specific propagation characteristics in which the system is deployed. This knowledge can be exploited at the base station side in the form of a database linked to the position of the user equipment. The location information is becoming more accessible in cellular equipment as a built-in feature with an increasing degree of accuracy.

In the first part, it is shown that a prior selection of the most effective base station antenna directions to deliver the highest possible power value to users located in non-line of sight positions can speed up an access link. Specifically for the 28 GHz band, simulation data from a ray tracing tool applied in specific urban environments indicate that the utilization of arbitrary base station angles in a cell search procedure is not of maximum benefit for the users. Some of the angles are largely or partially blocked by nearby buildings restricting the radio frequency illumination to a maximum power of a lower value compared to what can be obtained from others. A power level benefit higher than 2 dB can be obtained in a defined number of consecutive power measurements, however this performance improvement appears to be conditioned by the severity of the existing street canyon propagation. Moreover, given that the same base station or user equipment discrete angles are repeated individually or together at many different geographical positions, their percentage distribution for maximum power delivery can also be exploited for further improvement. A simplified ray tracing procedure is developed to identify the best base station angles together with their non-uniform percentage distribution. The application impact (two scenarios) of this reduced set of angles is determined by contrasting the improvement in the signal to noise ratio when both the base station and user equipment change their main beam orientations in a random fashion a certain number of trials. Additionally, a comparison of the number of antenna beam switches needed for an access link in a particular antenna alignment procedure is performed. These results may be helpful especially for those systems using analog beamforming.

In the second part, we developed an antenna alignment algorithm exploiting specific propagation knowledge in the form of a database linked to the geographical position of the user equipment. Both cases in which the base station knows the exact and inexact location of the user are considered. We take advantage of the observation that the base station angle associated to the first propagation path serving the user repeat exactly or approximately in the database points located within a circle of radius D around the reported position. This result allows to illuminate appropriately the user even for the case of an inexact position information. The determination of the best BS angle facilitates the application of a narrow beamwidth antenna in the initial stage of the antenna alignment process providing the advantage of an increased starting illumination power and consequently of a reduced total number of alignment steps. Through ray tracing simulations it is shown that the proposed algorithm has similar or better performance relative to a modified classical hierarchical procedure as long as the exact geographical position is located inside a circular area of database points. Moreover the radius D of the circular area can be set to a value a little larger than the maximum error of the positioning system without much variation on the performance. On the other hand, there is no need of a very high resolution database. Simulation results applying maximum position errors up to 10 m and database resolutions up to 4 m, respectively, indicate that the distance between the database points can be increased up to 2m without much impact. These outcomes are sustained when the maximum power level received at the user equipment varies.

In the third part, we expand the application of a site-specific propagation characteristics knowledge to increase a link capacity. Given that a database can have information of all propagation paths associated to a specific position of the user, we extend the algorithm developed in the previous part to take advantage of a second path as long as the total capacity link is larger than what can be obtained with just the first path. The inaccuracy in the position reported forces the selection of a reference point in the database to approximate the main angles of the second path. Ray tracing simulations in three well defined areas show that for the decision rules adopted, the additional capacity gain accomplished with the algorithm is fairly close to the ideal case where the exact user position is known. Given that only one additional step is needed for the base station to communicate the angle information of the second path to the user, a database dependent alignment process remains faster relative to a comparable modified classical hierarchical method. Additionally, we examine the effect of the database resolution on the performance of the proposed algorithm for static and variable conditions.

Titre traduit

Application de la cognition de l'environnement électromagnétique pour l'amélioration d'un lien de communication radio

Résumé traduit

Avec l'adoption continue de dispositifs mobiles, il est prévu que la capacité du réseau cellulaire grandisse à des taux qui ne sont pas compatibles avec les réseaux micro-ondes actuels. Ainsi, l’intérêt donc dans les ondes à bandes millimétriques (30-300 GHz) a augmenté considérablement puisqu’elles offrent la possibilité d’une assignation du spectre plus large par rapport à celle existante actuellement au-dessous le 3 GHz. Spécifiquement, en ce moment l’on considère que la bande de 28-38 GHz possède un grand potentiel pour fournir des services de téléphonie mobile de cinquième génération. Dans ce sens, les mesures in situ démontrent qu’il est possible d’établir des liaisons de communications faisables dans un rayon de 200 mètres, même en absence de visibilité directe, en utilisant des antennes directionnelles. Ce scénario est différent de celui utilisé dans les systèmes actuels de téléphonie portable dans lesquels l’application/utilisation des antennes directionnelles normalement s’effectue après avoir complété l’accès au réseau et non pas par l’accès en soi même. Une estimation de canal en utilisant des méthodes de formation de faisceau hybride a été proposée comme une solution, mais au détriment de l'application de plus d'une chaîne de radiofréquence. D’autre part, les techniques d’estimation à détection compressée qui tirent avantage des caractéristiques éparses des canaux à ondes millimétriques, qui fournissent une représentation précise du profil angulaire de puissance et qui requièrent un petit nombre de mesures révèlent être sensibles au bruit additif. Cette réalité peut affecter principalement des sites qui ne disposent pas d'une ligne de visibilité direct où le niveau du signal peut n’est pas suffisamment élevé.

Dans cet écrit, nous profitons des caractéristiques de propagation spécifiques du site où le système est déployé. Cette connaissance peut être exploitée dans la station de base sous la forme d'une base de données relative à la position de l'utilisateur. L’information sur la localisation d'un utilisateur devient de plus en plus accessible sur les appareils mobiles comme un élément intégré et avec un degré de précision croissant.

Dans la première partie, il est démontré que la sélection préalable des orientations des antennes les plus efficaces pour générer la valeur la plus élevée de puissance pour les utilisateurs situés dans des positions sans visibilité directe, accélère le lien d'accès. Plus précisément, pour la bande de 28 GHz, les données de simulation d’un outil du traçage de rayons appliqué dans les milieux urbains spécifiques indiquent que l’application des valeurs arbitraires des angles est sans bénéfice pour les utilisateurs. Certains angles peuvent être totalement ou partiellement bloqués par des bâtiments proches qui limitent l’éclairage en radiofréquence à une puissance maximale d’une valeur inférieure par rapport à ce qui peut être obtenu avec d'autres. Les simulations montrent qu’on peut obtenir un bénéfice de plus de 2 dB dans un certain nombre de mesures de puissance consécutives, mais cette amélioration de la performance semble être affectée par la sévérité du type de propagation de corridor urbain existant. En outre, étant donné que les angles discrets de la station de base ou de l’équipement de l’utilisateur sont répétés individuellement ou collectivement dans des nombreuses et différentes localisations géographiques, la répartition en pourcentage des angles qui génèrent une puissance maximale peut également être exploitée pour fournir des améliorations supplémentaires. On développe une méthode de traçage de rayons simplifiée pour déterminer les meilleurs angles ainsi que leur répartition en pourcentage non uniforme. L'impact de la réduction de l’ensemble des angles est déterminé en mesurant l'amélioration du rapport signal/ bruit lorsque les angles de la station de base ainsi que l'équipement de l’utilisateur varient aléatoirement un certain nombre de fois. En outre, une comparaison entre le nombre de commutations de faisceaux d'antenne nécessaire pour établir la liaison d'accès dans une procédure d'alignement de l'antenne spécifique est effectuée. Ces résultats peuvent être utiles dans les systèmes utilisant la formation de faisceau analogique.

Dans la deuxième partie, nous avons développé un algorithme d'alignement d'antenne en profitant de la connaissance des caractéristiques de propagation spécifiques sous la forme d'une base de données liée à la localisation géographique de l'équipement utilisateur. On considère les deux cas dans lesquels la station de base connaît la situation exacte et inexacte de l’utilisateur. Nous profitons de l’observation selon laquelle l’angle de la station de base associée au premier trajet de propagation est répété à des points à l'intérieur d'un cercle de rayon D autour de la position indiquée. Le procédé développé peut éclairer de manière appropriée l'utilisateur, même dans le cas d'une information inexacte de la position. La détermination du meilleur angle de BS facilite l'application d'un faisceau étroit d'antenne dans la phase initiale du processus d'alignement, ce qui offre l'avantage d'un plus haut niveau de puissance au démarrage et par conséquent, d’un nombre réduit d’alignement. Les résultats de simulation montrent que l'algorithme proposé possède une performance similaire ou meilleure par rapport à un processus hiérarchique conventionnel modifié, à condition que la situation exacte de l’usager se trouve dans la zone circulaire du rayon D contenant des points de la base de données. Par ailleurs, le rayon D peut avoir une valeur un peu supérieure à l'erreur maximale du système de positionnement géographique, sans produire une plus grande variation dans la performance. D'un autre côté, on a prouvé qu'il n'est pas nécessaire d’appliquer une base de données de très haute résolution. Les résultats obtenus en appliquant des erreurs maximales de position allant jusqu'à 10 m et de résolution de la base de données allant jusqu'à 4 m, respectivement, indiquent aussi que la distance entre les points de la base de données peut augmenter jusqu'à 2 m sans impact majeur sur les performances. Ces résultats sont maintenus en variant le niveau maximal de puissance reçue à l'équipement utilisateur.

Dans la troisième partie, on développe l'application de la connaissance des caractéristiques spécifiques de la propagation d'un site pour augmenter la capacité de liaison. Étant donné que la base de données peut avoir l'information de toutes les directions de propagation existantes dans une position spécifique de l'utilisateur, nous élargissons l'algorithme développé dans la section précédente en ajoutant une seconde trajectoire sous la condition que la capacité totale soit supérieure à celle qui peut être obtenue avec seulement la première étape. L'inexactitude de la position informée par l'utilisateur force le choix d’un point de référence de la base de données pour le rapprochement des principaux angles de la seconde trajectoire. Les simulations utilisant le traçage des rayons dans trois zones bien définies montrent que, sous des règles de décision définies, l'augmentation de la capacité supplémentaire qui pourrait être atteint avec l'application de l'algorithme est assez proche du cas idéal où l'utilisateur indique la position exacte. Étant donné qu'une étape supplémentaire est nécessaire pour que la station de base communique les angles de la deuxième trajectoire à l’équipement de l’utilisateur, le procédé d’alignement d’antenne en utilisant une base de données, continue à être plus rapide par rapport à la méthode d'alignement hiérarchique modifiée. En outre, on analyse l'effet de la résolution de la base de données sur les performances de l’algorithme proposé dans des conditions statistiques et variables.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 137-144.
Mots-clés libres: Performance des réseaux (Télécommunications) Modèles mathématiques. Téléphonie cellulaire Antennes-relais Localisation. Diagrammes de rayonnement d'une antenne Modèles mathématiques. Géolocalisation Bases de données. Systèmes de communication à ondes millimétriques. base de données, traçage de rayons, antenne directionnelle, alignement de l'antenne, station de base, équipement de l'utilisateur, radiofréquence, localisation de l'utilisateur
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Kouki, Ammar
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 08 mai 2017 17:32
Dernière modification: 08 mai 2017 17:32
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1882

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