Beamforming in frequency division duplex cellular networks

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-08-21
Department
Major/Subject
Applied mathematics
Mcode
SCI3053
Degree programme
Master’s Programme in Mathematics and Operations Research
Language
en
Pages
63 + 7
Series
Abstract
As the number of devices connected to internet has increased, the demand for capacity in cellular networks has increased as well. One attractive method to increase the capacity is to employ beamforming. In beamforming, the relative phases and amplitudes of an antenna array are adjusted to control the transmitted power in some geometrical directions. In frequency division duplex cellular networks, the downlink channel matrix is not exactly the same as that of uplink. However, the base station can only measure the uplink channel matrix. As the downlink beamforming methods depend on the downlink channel matrix, the difference must be accounted for. In this thesis we present an open-loop beamforming method which manages to partially compensate for the frequency gap. The method is based on uplink channel matrix measurement and antenna array models for both uplink and downlink. We review some antenna array models and propose a novel extension to one of them. We then discuss how to implement the models in a computationally efficient manner for our use case. Performance evaluation of beamforming methods is carried out using a network-level simulator. The simulator is designed around a ray traced channel model, and we include the effects of e.g. antenna arrays, inter-cell interference, and multi-user and MIMO scheduling. The new beamforming method is then compared to eigen-beamforming in an extensive set of test scenarios.

Langattomien tietoverkkojen kapasiteettivaatimukset ovat kasvaneet yhä useampien laitteiden ottaessa langattoman yhteyden internetiin. Vastauksena kapasiteetin tarpeelle, nykyaikaisissa matkapuhelinverkoissa voidaan hyödyntää keilanmuodostustekniikkaa. Keilanmuodostuksessa antenniryhmän antennien vaihe-eroja ja amplitudeja säädetään säteilytehon ohjaamiseksi haluttuihin geometrisiin suuntiin. Taajuusjakoisessa dupleksi radioverkossa radiokanavan olosuhteet eroavat tukiasemalta käyttäjälle, ja käyttäjältä tukiasemalle, koska suunnat toimivat eri radiotaajuudella. Tukiasemalta voidaan kuitenkin mitata ainoastaan olosuhteita kuvaava kanavamatriisi käyttäjältä tukiasemalle -suunnassa. Koska keilanmuodostuksessa vaiheistuskertoimet riippuvat kuitenkin tukiasemalta käyttäjälle -suuntaisesta kanavasta, täytyy ero taajuuksissa kompensoida. Tässä työssä esitellään keilanmuodostusmenetelmä, joka kompensoi taajuuseron hyödyntäen ainoastaan käyttäjältä tukiasemalle -kanavamatriisia, ja antenniryhmämalleja molemmissa suunnissa. Tässä työssä katselmoidaan myös eri mallinnustapoja antenniryhmille, ja esittellään laajennus yhteen näistä. Antennimallien laskennallisesti tehokkaalle toteutukselle annetaan suosituksia. Keilanmuodostusmenetelmien suorituskyvyn vertailemiseksi tässä diplomityössä esitellään radioverkkotason simulaattori, joka perustuu säteenseurannasta johdetulle radiokanavamallille. Simulaattorissa huomioidaan myös mm. antenniryhmien, interferenssin ja monikäyttäjä- ja monitie-etenemistä hyödyntävän käyttäjien vuorottajan vaikutukset verkon suorituskykyyn. Simulaattorilla osoitetaan esitellyn keilanmuodostusmenetelmän olevan tehokkaampi kuin käyttäjältä tukiasemalle -suuntaisen kanavamatriisin ominaisarvokeilanmuodostus useimmissa tilanteissa.
Description
Supervisor
Hannukainen, Antti
Thesis advisor
Salmi, Jussi
Keywords
frequency division duplex, beamforming, massive MIMO, antenna model
Other note
Citation