Hybride Beamformingsysteme niedriger Komplexität für den Mobilfunk

Forschung und Industrie arbeiten mit Hochdruck an der Nutzbarmachung von Teilen des Millimeterwellenfrequenzbereichs, um den steigenden Bedarf an höheren Datenraten zukünftiger Mobilfunknetze decken zu können. Für diese Frequenzbereiche können Mehrantennensysteme mit hunderten von Antennen kompakt realisiert werden, welche eine Steigerung der spektralen Effizienz durch die Ausschöpfung der räumlichen Mehrwegeausbreitung ermöglichen. Um den wirtschaftlichen Erfolg dieser Mehrantennensysteme zu sichern, gilt es, effiziente architektonische Lösungen mit einer niedrigen hardware-technischen Komplexität zu finden. Eine solche architektonische Lösung stellen hybride Beamformingsysteme dar, die den Strahlformungsprozess in ein analoges Beamformingnetzwerk bestehend aus Phasenschiebern sowie einen Digitalteil geringer Größe unterteilen. Diesen hybriden Beamformingsystemen widmet sich die vorliegende Dissertation. Dabei fokussieren sich die Betrachtungen auf den von der Internationalen Fernmeldeunion für die nächste Generation des Mobilfunks definierten Frequenzbereich um 28 GHz.

Ziel dieser Arbeit ist es, hybride Beamformingarchitekturen niedriger Komplexität zu untersuchen und die für die erfolgreiche Anwendung notwendigen Verfahren zur Strahlformung und Kanalschätzung zu entwickeln.
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Als Grundlage der Untersuchung dienen ein pfadbasiertes Kanalmodell sowie die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Kanalmessungen bei 28 GHz. Für die Messungen wird ein eigens entwickeltes Kanalmesssystem bestehend aus vier Sendern und 16 Empfängern verwendet. Die durchgeführten Outdoor-Messkampagnen in drei verschiedenen Szenarien mit insgesamt 162 Messpositionskonstellationen von Basisstation und mobiler Sendeeinheit liefern einen bisher unerreichten Einblick in das Ausbreitungsverhalten der elektromagnetischen Wellen innerhalb von Small Cell-Szenarien bei 28 GHz.

Zur Realisierung hybrider Beamformingsysteme niedriger Komplexität muss der Schaltungs- und Hardwareaufwand innerhalb des analogen Beamformingnetzwerks auf ein Minimum begrenzt werden. Als besonders geeignet kristallisiert sich in dieser Arbeit die untersuchte SBHB-Architektur heraus. Für die Bestimmung der Beamformingmatrizen am Sender und Empfänger werden abhängig von den bekannten Kanalinformationen der SIC-Algorithmus und der BA-Algorithmus diskutiert. Zur Steigerung der Energieeffizienz in Zeiten einer geringer Mobilfunkzellauslastung wird für die SBHB-Architektur eine Methodik zur intelligenten Abschaltung von Antennenelementen verwirklicht. Im Gegensatz dazu wird in Szenarien mit einem dauerhaft hohen Nutzeraufkommen die maximal erreichbare Übertragungsrate durch das Hinzufügen zusätzlicher Freiheitsgrade in Form von Phasenschiebern gesteigert. Die durchgeführten Analysen verdeutlichen den Zusammenhang zwischen dem notwendigen Hardwareaufwand innerhalb des analogen Beamformingnetzwerks und der maximal erreichbaren Übertragungsrate und legen damit den Grundstein für die bedarfsorientierte Auslegung hybrider Beamformingsysteme in der Praxis.

Ein weiterer Kernbeitrag dieser Dissertation sind die entwickelten Verfahren zur Kanalschätzung für hybride Beamformingsysteme. Diese stehen im Spannungsfeld aus notwendiger Kanalschätzungsdauer und erreichbarer Schätzgenauigkeit. Zur Reduktion der Kanalschätzungsdauer bei der Suche der räumlichen Austritts- und Einfallswinkel am Sender bzw. Empfänger wird ein hierarchisches Codebuchverfahren konstruiert und analysiert. Darüber hinaus wird eine eigene Klasse von Kanalschätzungsverfahren basierend auf der Schätzung mittels dünnbesetzter Antennenarrays eingeführt. Das daraus resultierende SABA-Verfahren erreicht eine deutliche Reduktion der Kanalschätzungsdauer, während dem MSAM-Verfahren eine vollständige Rekonstruktion der Kanalmatrix gelingt. Die numerischen und messdatenbasierten Ergebnisse zeigen die Überlegenheit der beiden eigens entwickelten Verfahren und diskutieren für welche Systemparameter ihr Einsatz von Vorteil ist.

Zum Schluss werden die entwickelten Kanalschätzungsverfahren an ein eigens entwickeltes SBHB-Empfangssystem angepasst und mit Hilfe dessen messtechnisch untersucht. Um dies zu ermöglichen, liegt ein Schwerpunkt auf der praktischen Implementierung und Kalibrierung des SBHB-Systems. Die messtechnischen Untersuchungen verifizieren erstmals die präsentierten Kanalschätzungsverfahren und beweisen damit, dass ein Einsatz hybrider Beamformingsysteme niedriger Komplexität mit den entwickelten Verfahren bei 28 GHz möglich ist.