Radio wave propagation and antennas for millimeter-wave communications
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2013-01-04
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2012
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
76 + app. 76
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 179/2012
Abstract
The use of millimeter-wave frequencies is seen as a strong candidate for realizing future, very high data-rate radio systems. Millimeter-wave frequencies offer large bandwidths for short-range indoor communications and outdoor point-to-point radio links. In this thesis, millimeter-wave antenna solutions and radio wave propagation channels are studied. One of the key questions that needs to be answered before millimeter-wave devices can be produced profitably in large quantities is how to realize a low-cost antenna that is efficient and can be integrated with other parts of the transceiver. In the first part of the thesis, different solutions for realizing integrated antennas in the 60-GHz frequency range are presented. In this work, several antenna designs utilizing micromachining techniques have been developed and evaluated. In addition, beam steering has been demonstrated with the developed antenna arrays. The goal of the propagation part is to measure and model propagation channels in hospital environments, where 60-GHz radio systems can be used to improve the efficiency of medical operations and in urban outdoor environments, where millimeter-wave point-to-point links can be used for last mile access and backhaul of mobile networks. The measured channel data is used to derive important propagation parameters, which are then compared to those found from the literature. In order to generate a large number of channel realizations, e.g., for system simulations, channel models that describe the propagation channel in the delay domain have been developed. In the last part of the thesis, the performance of millimeter-wave radio systems in indoor scenarios is analyzed by means of channel capacity and throughput of the physical layer. At first, the performance of different multi-antenna techniques are compared based on experimental characterization of the channel capacity. The results of the throughput analysis are used to evaluate the feasibility of millimeter-wave radio systems in the defined usage scenarios and to validate the developed propagation channel models. The results reveal that the 60-GHz radio systems are able to provide the required 1.53-Gbps data rate in hospital environments. The throughput starts to decline when the distance between the transmitter and the receiver exceeds 3 meters.Millimetriaaltotaajuuksien käyttöä pidetään vahvana ehdokkaana tulevaisuuden hyvin suuriin datanopeuksiin yltävien radiojärjestelmien toteuttamiseksi. Millimetriaaltotaajuudet tarjoavat käytettäväksi suuria kaistanleveyksiä lyhyen kantaman sisätilatietoliikenteeseen sekä ulkotiloissa käytettäville radiolinkeille. Tässä työssä tutkitaan millimetriaaltoalueen antenniratkaisuja sekä radioaaltojen etenemiskanavaa. Avainkysymys, johon tarvitaan vastaus ennen kuin millimetriaaltolaitteita voidaan valmistaa kannattavasti suuria määriä on, miten edullinen ja suorituskykyinen antenni toteutetaan niin, että se voidaan integroida muiden lähetin- ja vastaanotinkomponenttien kanssa. Työn ensimmäisessä osassa esitellään erilaisia ratkaisuja integroitujen antennien toteuttamiseksi 60 GHz:n taajuusalueelle. Työssä on kehitetty useita mikromekaanista prosessia hyödyntäviä antenneja ja arvioitu niiden suorituskykyä. Lisäksi antennin säteilykuvion kääntöä on havainnollistettu kehitetyillä antenniryhmillä. Työn etenemisosan tavoitteena on mitata ja mallintaa etenemiskanava sairaalaympäristöis-sä, joissa 60 GHz:n radiojärjestelmiä voidaan käyttää parantamaan lääketieteellisten operaati-oiden tehokkuutta, sekä kaupunkiympäristöissä, joissa millimetriaaltoalueen radiolinkkejä voidaan käyttää ns. viimeisen mailin yhteyksiin sekä mobiiliverkkojen runkona. Mitattua kanavatietoa käytetään tärkeiden etenemisparametrien johtamiseen, joita verrataan kirjallisuudessa esitettyihin arvoihin. Työssä on kehitetty kanavamalleja, jotka kuvaavat etenemiskanavaa viivealueessa, jotta esimerkiksi systeemisimulointeihin saadaan luoduksi riittävän suuri määrä kanavavasteita. Väitöskirjan viimeisessä osassa analysoidaan millimetriaaltoradiojärjestelmien suoritus-kykyä sisätilaympäristöissä kanavakapasiteetin sekä fysikaalisen kerroksen tiedonsiirto-nopeuden avulla. Aluksi vertaillaan moniantennitekniikoiden suorituskykyä kokeellisesti määritetyn kanavakapasiteetin avulla. Tiedonsiirtonopeusanalyysin tuloksia käytetään millimetriaaltoradiojärjestelmien käytettävyyden arviointiin määritellyissä käyttöskenaari-oissa sekä kehitettyjen kanavamallien validointiin. Tulokset osoittavat, että 60 GHz:n radiojärjestelmät mahdollistavat vaaditun 1,53 Gbps:n tiedonsiirtonopeuden sairaalaympä-ristöissä. Tiedonsiirtonopeus alkaa laskea, kun lähettimen ja vastaanottimen välinen etäisyys ylittää 3 metriä.Description
Supervising professor
Vainikainen, Pertti, Prof., Aalto University, FinlandRäisänen, Antti, Prof., Aalto University, Finland
Thesis advisor
Kolmonen, Veli-Matti, Dr., Aalto University, FinlandRanvier, Sylvain, Dr.
Keywords
millimeter waves, integrated antennas, medical applications, point-to-point radio links, propagation channel measurements, channel modeling, millimetriaallot, integroidut antennit, lääketieteelliset sovellukset, kiinteät radiolinkit, etenemiskanavamittaukset, kanavamallinnus
Other note
Parts
- [Publication 1]: M. Kyrö, D. Titz, V.-M. Kolmonen, S. Ranvier, P. Pons, C. Luxey, and P. Vainikainen, “5×1 linear antenna array for 60 GHz beam steering applications,” In Proc. 5th European Conf. Antennas and Propagation (EuCAP’11), Rome, Italy, Apr. 2011, pp. 1258–1262.
- [Publication 2]: M. Kyrö, D. Titz, V.-M. Kolmonen, C. Villeneuve, C. Luxey and P. Vainikainen, “60 GHz membrane antenna array for beam steering applications,” In Proc. 6th European Conf. Antennas and Propagation (Eu-CAP’12), Prague, Czech Republic, Mar. 2012, pp. 2770–2774.
- [Publication 3]: M. Kyrö, J. Simola, K. Haneda, S. Ranvier, P. Vainikainen, and K. Takizawa, “60 GHz radio channel measurements and modeling in a shielded room,” In Proc. IEEE 71st Vehicular Technology Conf. (VTC’10-Spring), Taipei, Taiwan, May 2010, paper: session 3H, 5.
- [Publication 4]: M. Kyrö, K. Haneda, J. Simola, K. Nakai, K. Takizawa, H. Hagiwara, and P. Vainikainen, “Measurement based path loss and delay spread modeling in hospital environments at 60 GHz,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 10, no. 8, pp. 2423–2427, Aug. 2011.
- [Publication 5]: M. Kyrö, S. Ranvier, V.-M. Kolmonen, K. Haneda, and P. Vainikainen, “Long range wideband channel measurements at 81−86 GHz frequency range,” In Proc. 4th European Conf. Antennas and Propagation (Eu-CAP’10), Barcelona, Spain, Apr. 2010, paper P03-1.
- [Publication 6]: M. Kyrö, K. Haneda, J. Simola, K. Takizawa, H. Hagiwara, and P. Vainikainen, “Statistical channel models for 60 GHz radio propagation in hospital environments,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 3, pp. 1569–1577, Mar. 2012.
- [Publication 7]: M. Kyrö, V.-M. Kolmonen, and P. Vainikainen, “Experimental propagation channel characterization of mm-wave radio links in urban scenarios,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 11, pp. 865–868, Jul. 2012.
- [Publication 8]: M. Kyrö, S. Ranvier, C. Icheln, and P. Vainikainen, “Measurement based mutual information analysis of beam steering in the 60 GHz band,” In Proc. 3rd European Conf. Antennas and Propagation (EuCAP’09), Berlin, Germany, Mar. 2009, pp. 332–335.
- [Publication 9]: M. Kyrö, K. Takizawa, K. Haneda, H. Hagiwara, and P. Vainikainen, “Feasibility study of 60 GHz radio systems in hospital environments,” In Proc. 6th European Conf. Antennas and Propagation (EuCAP’12), Prague, Czech Republic, Mar. 2012, pp. 557–561.
- [Publication 10]: M. Kyrö, K. Takizawa, K. Haneda, and P. Vainikainen, “Validation of statistical channel models for 60 GHz radio systems in hospital environments,” Accepted for publication in IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Nov. 29, 2012.