On the design and performance analysis of mmWave-enabled next generation of wireless networks

Sattar, Zeeshan (2020). On the design and performance analysis of mmWave-enabled next generation of wireless networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The hush of expectancy of a millimeter-wave enabled next generation (i.e., 5G) of communication systems are upon us. As with every new technology, there are inevitable teething issues and obstacles to overcome before finding its true commercial value. Millimeter-wave technology has had its fair share of cynics in the past few years, with questions arising about its efficacy for transmission over long distances, how well it can penetrate through walls, and even if rain or a user’s hand might block the signal.

These issues are valid, but most of them have been tackled with innovative solutions in recent years. In addition, millimeter-wave and 5G are often used synonymously, but there are critical differences between the two. The millimeter-wave spectrum is just one part of the frequency band available to future 5G networks. The typical microwave frequencies or sub-6GHz spectrum will also be part of the standard. Among other benefits, the coexistence of these two spectra will offer better coverage and data speeds to customers.

Since the millimeter-wave technology is almost ready to make its public debut on the stage of the commercial tech-world, the main theme of our research project revolves around design and performance analysis of the key enablers of 5G, such as millimeter-wave communications, massive multiple-input multiple-output systems, and heterogeneous networks. More specifically, this thesis focuses on (i) the coexistence of millimeter wave, and sub-6GHz frequencies in a heterogeneous network and (ii) millimeter-wave enabled wideband and ultra wideband communication systems.

In this context, the second chapter of this thesis presents a detailed analysis and simulation model of a half-duplex two-tier heterogeneous network employing different frequency bands (i.e., sub-6GHz and millimeter wave). Tools from stochastic geometry are used to model an environment, where users’ equipment have the liberty to choose different base stations for uplink and downlink transmissions, called decoupled wireless access. The key performance metrics, such as the probability of users’ equipment association, the distribution of the distances between the users’ equipment and their tagged base stations, and spectral efficiency are analyzed and evaluated for various pragmatic deployment scenarios.

The third chapter of this thesis presents a performance analysis of a full-duplex two-tier heterogeneous network with decoupled access employing different frequency bands (i.e., sub-6GHz and millimeter wave). The novelty of the derived analytical model is that it accommodates variable transmit powers and different path loss exponents for different tiers, and accounts for the interference in millimeter-wave networks. To the best of our knowledge, it is the first analytical model that comprehensively encapsulates the characteristics of dense to ultra-dense networks. Hence, the comprehensive nature of the proposed analytical model can help us understand the performance limits of a network for diverse deployment scenarios.

The fourth and fifth chapters of this thesis focus on an issue in wideband and ultra-wideband massive multiple input multiple-output communication systems, i.e., beam squinting. The main attraction in the millimeter-wave band is its large available bandwidth. Therefore wideband and ultra-wideband communication systems will become an unavoidable reality soon. Though wideband and ultra wideband communication systems have the potential to increase the achievable capacity significantly, such communication also raises a new issue called beamsquinting, limiting the achievable capacity. The beam-squinting did not get enough prominence to become the blue-eyed problem of the research community of mobile communications until recently. The reason for this deliberate neglect is the fact that, so far, almost all mobile communication systems work on narrowband signals, which by their very nature, make the beamsquinting issue negligible. In chapter four, a novel transceiver architecture for ultra-wideband massive multiple-input multiple-output communication is proposed to mitigate beam-squinting effects. The advantage of the proposed design is that it does not rely on any compensation in the digital domain. Therefore it is suitable for computational power-constrained or delay-sensitive applications that do not have the liberty to calculate large compensation matrices in the digital domain. Moreover, the fifth chapter of this thesis highlights the potential use of hypersurfaces that can be exploited to mitigate the beam-squinting issue in a millimeter-wave enabled ultra-wideband communication systems.

Titre traduit

À propos de la conception et de l’analyse des performances de la prochaine génération de réseaux sans fil compatibles à ondes millimétriques

Résumé traduit

La prochaine génération de systèmes de communication (5G) à ondes millimétriques est en train de voir le jour. Comme pour toute nouvelle technologie, il y a inévitablement des problèmes de démarrage et des obstacles à surmonter avant de trouver sa véritable valeur commerciale. La technologie des ondes millimétriques a eu sa part de cynisme ces dernières années, avec des questions sur son efficacité pour la transmission sur de longues distances, sa capacité à traverser les murs, et même si la pluie ou la main d’un utilisateur pouvait bloquer le signal.

Ces questions sont valables, mais la plupart d’entre elles ont été abordées avec des solutions innovantes ces dernières années. En outre, les ondes millimétriques et la 5G sont souvent utilisées comme synonymes, mais il existe des différences essentielles entre les deux. Le spectre des ondes millimétriques n’est qu’une partie de la bande de fréquences disponible pour les futurs réseaux 5G. Les fréquences micro-ondes typiques ou le spectre inférieur à sous-6GHz feront également partie de la norme. Et la coexistence de ces deux spectres offrira, entre autres, une meilleure couverture et de meilleurs débits de données aux clients.

Puisque la technologie des ondes millimétriques est presque prête à faire ses débuts publics sur la scène du monde technologique commercial, le thème principal de notre projet de recherche est centré sur la conception et l’analyse des performances des principaux outils de la 5G, tels que les communications à ondes millimétriques, les systèmes massifs à entrées multiples et sorties multiples, et les réseaux hétérogènes. Plus spécifiquement, cette thèse se concentre sur (i) la coexistence des ondes millimétriques et des fréquences inférieures à sous-6 GHz dans un réseau hétérogène et (ii) les systèmes de communication à large bande et à bande ultra-large rendus possibles par les ondes millimétriques.

Dans ce contexte, le deuxième chapitre de cette thèse présente une analyse très détaillée et un modèle de simulation d’un réseau hétérogène à deux-tiers en semi duplex utilisant différentes bandes de fréquences (c’est à-dire sous-6GHz et ondes millimétriques). Les outils de la géométrie stochastique sont utilisés pour modéliser un environnement où les équipements des utilisateurs ont les moyens de choisir différentes stations de base pour les transmissions en liaison montante et descendante, appelées accès sans fil découplé. Les principales mesures de performance, telles que la probabilité d’association des équipements des utilisateurs, les distributions de distance entre les équipements des utilisateurs et leurs stations de base marquées, et l’efficacité spectrale sont analysées et évaluées pour les différents scénarios de déploiement pragmatiques.

Le troisième chapitre de cette thèse présente une analyse des performances d’un réseau hétérogène à deux tiers en duplex intégral avec accès découplé utilisant différentes bandes de fréquences (c’est-à-dire sous-6GHz et ondes millimétriques). La nouveauté du modèle analytique dérivé est qu’il prend en compte des puissances d’émission variables, différents coefficients d’affaiblissement sur le trajet pour différents niveaux et tient compte des interférences dans les réseaux à ondes millimétriques. C’est le premier modèle analytique qui encapsule de manière exhaustive les caractéristiques des réseaux denses jusqu’aux réseaux ultra-denses. Par conséquent, la nature exhaustive du modèle analytique proposé peut nous aider à comprendre les limites de performance d’un réseau pour divers scénarios de déploiement.

Les quatrième et cinquième chapitres de cette thèse se concentrent sur la question de déviation des faisceaux (Beam Squinting) dans les systèmes de communication à large bande et à ultra large bande à entrées multiples et sorties multiples massives. La principale attraction de la bande des ondes millimétriques est sa grande largeur de bande disponible. Par conséquent, les systèmes de communication à large bande et à bande ultra-large deviendront bientôt une réalité inévitable. Bien que les systèmes de communication à large bande et à bande ultra large aient le potentiel d’augmenter considérablement la capacité réalisable, cela soulève également un nouveau problème appelé la déviation des faisceaux qui limite la capacité réalisable. Jusqu’à récemment, la déviation des faisceaux n’avait pas pris suffisamment d’importance pour devenir le problème majeur de la communauté des chercheurs en communications mobiles. Cette négligence délibérée s’explique par le fait que, jusqu’à présent, presque tous les systèmes de communication mobile fonctionnent sur des signaux à bande étroite, ce qui, par nature, rend le problème de déviation des faisceaux négligeable. Dans ce chapitre, une nouvelle architecture d’émetteur-récepteur pour un système de communication à bande ultra-large à entrées multiples et sorties multiples est proposée afin d’atténuer les effets de la déviation des faisceaux. L’avantage de la conception proposée est qu’elle ne repose sur aucune compensation dans le domaine numérique. Elle convient donc aux applications à puissance de calcul limitée ou sensibles aux délais qui n’ont pas les moyens de calculer de grandes matrices de compensation dans le domaine numérique. De plus, le cinquième chapitre de cette thèse souligne l’utilisation potentielle d’hyper-surfaces qui peuvent être exploitées pour atténuer le problème de déviation des faisceaux dans un système de communication à bande ultra-large utilisant des ondes millimétriques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 159-168).
Mots-clés libres:	ondes millimétriques, 5G, réseaux hétérogènes et MIMO massifs
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kaddoum, Georges
Codirecteur:	Codirecteur Batani, Naïm
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	22 mars 2021 17:59
Dernière modification:	22 mars 2021 17:59
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2648

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