Beamforming in frequency division duplex cellular networks

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorSalmi, Jussi
dc.contributor.authorKuutela, Topi
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorHannukainen, Antti
dc.date.accessioned2018-09-03T12:41:46Z
dc.date.available2018-09-03T12:41:46Z
dc.date.issued2018-08-21
dc.description.abstractAs 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.en
dc.description.abstractLangattomien 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.fi
dc.format.extent63 + 7
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/33752
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-201809034877
dc.language.isoenen
dc.programmeMaster’s Programme in Mathematics and Operations Researchfi
dc.programme.majorApplied mathematicsfi
dc.programme.mcodeSCI3053fi
dc.subject.keywordfrequency division duplexen
dc.subject.keywordbeamformingen
dc.subject.keywordmassive MIMOen
dc.subject.keywordantenna modelen
dc.titleBeamforming in frequency division duplex cellular networksen
dc.titleKeilanmuodostus taajuusjakoisessa dupleksi radioverkossafi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöfi
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
local.aalto.electroniconlyyes
local.aalto.openaccessyes
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
master_Kuutela_Topi_2018.pdf
Size:
11.72 MB
Format:
Adobe Portable Document Format