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Titelaufnahme

Titel
Generalized spatial modulation MIMO for indoor LOS mmWave communications / submitted by Peng Liu ()
Weitere Titel
Generalized Spatial Modulation MIMO für die Millimeterwellen-Kommunikation
AutorInnenLiu, Peng
Beurteiler / BeurteilerinSpringer, Andreas ; Di Renzo, Marco
ErschienenLinz, December 2016
Umfangxxi, 154 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)MIMO / räumliche Modulation / generalisierte räumliche Modulation / Millimeterwellen Kommunikation / Funkkanal / 60 GHz
Schlagwörter (EN)MIMO / spatial modulation (SM) / generalized spatial modulation (GSM) / millimeter-wave communications / indoor communications / channel sounding / 60 GHz
Schlagwörter (GND)Millimeterwellentechnik / Funktechnik / MIMO / GSM-Standard
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-14654 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
Dateien
Generalized spatial modulation MIMO for indoor LOS mmWave communications [2.7 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Englisch)

Spatial modulation (SM) and generalized spatial modulation (GSM) are emerging low-complexity multiple-input and multiple-output (MIMO) schemes for wireless communications. The operating principle of SM/GSM MIMO systems are radically different from that of conventional spatial multiplexing (SMX) MIMO systems like the wellknown D-BLAST and V-BLAST. In SMX MIMO, typically all the transmitter (TX) antennas are activated simultaneously for simultaneous transmission of multiple data streams. The same number of TX chains (from baseband to RF) as the number of data streams are needed in SMX MIMO thus introducing significant hardware and signal processing complexity. However, in SM/GSM MIMO, only one/one sub-group of all TX antennas are activated for in-phase and quadrature (IQ) domain transmission. Meanwhile, the activated group of TX antennas is switched for so-called spatial domain transmission, i.e., information is transmitted both in the conventional IQ domain and a so-called spatial domain, where the latter is achieved by antenna switching. In this thesis, we consider the case of SM/GSM that transmits one IQ stream and one spatial stream. More specifically, we consider fixed-Nu generalized spatial modulation (FGSM) and variable-Nu generalized spatial modulation (VGSM). In contrast to conventional SMX MIMO schemes, the benefits of using the SM/GSM schemes to be considered lies in, but not limited to: 1) reduced hardware complexity especially at the TX, 2) improved energy efficiency due to use of only a single IQ chain at the TX, and 3) reduced signal processing complexity a the receiver (RX) due to the avoidance of inter-channel interference. Extensive research has been conducted on SM/GSM. However, so far, almost all works in the literature are concerned with SM/GSM at low-GHz frequencies (below 6 GHz). In this thesis, we target the application of SM/GSM to broadband indoor line-of-sight (LOS) millimeter-wave (mmWave) communications, and the major contributions are as follows: Considering that the indoor LOS mmWave channel is dominated by the LOS component and the non-line-of-sight (NLOS) components contribute only a very small portion to the total received power, we first neglect the NLOS components of the channel and seek to optimize the symbol error probability (SEP) and channel capacity of GSM based on the pure LOS component of the channel. Then we derive SEP and channel capacity expressions for LOS GSM and conduct numerical analysis based on the expressions derived. In the analysis, beamforming (BF) and SMX MIMO schemes are used as benchmarks. Another major contribution of this thesis lies in the proposal of hardware architectures for possible implementations of GSM at mmWave frequencies. We introduce different TX structures to address the different switching challenges of FGSM and VGSM. A power allocation optimization to the TX of VGSM will be performed and the energy efficiencies of the two TXs will be studied and compared. In addition, a hybrid digital/RF RX is proposed for both of the GSM schemes. We study the SEP and channel capacity performances of GSM using measured real-word 60 GHz indoor channel data. The channel measurement was carried out in an office environment at Brno University of Technology, Czech Republic. Since the theoretical studies mention above are mainly based on pure LOS channel models, the purpose of the study using measure channel data is therefore two-fold: 1) to validate the major claims of the theoretical studies, and 2) to study the impact of NLOS on the performance of LOS GSM. ] Over all, GSM will be shown to be a promising candidate for broadband indoor LOS mmWave communications.

Zusammenfassung (Deutsch)

Spatial Modulation (SM) und Generalized Spatial Modulation (GSM) sind zwei erst kürzlich vorgeschlagene multiple-input/multiple-output (MIMO) Methoden mit geringer Komplexität. Im Vergleich zu bekannten und etablierten MIMO Verfahren für räumliches Multiplexing (SMX MIMO) wie D-BLAST und V-BLAST, ist das Prinzip von SM/GSM MIMO deutlich anders. Bei SMX MIMO sind üblicherweise alle Sendeantennen aktiv, um so gleichzeitig mehrere Datenströme zu übertragen. Dadurch wird für jede Sendenatenne ein eigener Sender (vom Basisband bis zur Hochfrequenzelektronik) benötigt, was beträchtlichen Hardwareeinsatz und hohe Signalverarbeitungskomplexität erfordert. Bei SM/GSM MIMO wird für die Übertragung jedes Inphase- und Quadraturphase (IQ-) Symbols nur eine Sendeantenne (oder eine Untergruppe von Sendeantennen) aktiviert. Die Auswahl der Sendeantenne, üblicherweise durch Umschalten zwischen den Sendeantennen, wird ebenfalls zur Informationsübertragung genutzt. Man spricht von Übertragung in der sogenannten "spatial domain", d.h. der räumlichen Domäne. In der vorligenden Doktorarbeit wird SM/GSM MIMO betrachtet, bei der ein IQ-Datenstom und ein räumlicher Datenstrom parallel übertragen werden. Dabei werden zwei Fälle untersucht, nämlich GSM mit eine festen (fixed-Nu GSM, FGSM) und einer variablen (variable-Nu GSM, VGSM) Anzahl von aktivierten Sendeantennen. Die wichtigsten Vorteile von SM/GSM gegenüber SMX MIMO sind: 1) geringere Hardwarekomplexität, 2) höhere Energieeffizienz da nur ein Sender benötigt wird und 3) geringere Signalverarbeitungskomplexität im Empfänger, da keine Interferenz zwischen räumlichen Kanälen auftritt. SM/GSM ist durch viele Forschungsarbeiten bereits gut untersucht. Bisher befassten sich aber nahezu alle Arbeiten mit dem Einsatz von SM/GSM im Frequenzbereich unterhalb von 6 GHz. In der vorliegenden Doktorarbeit wird die Verwendbarkeit von SM/GSM für breitbandige Kommunikationssysteme im Millimeterwellenbereich unter line-of-sight (LOS) Bedingungen (direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger) in Innenräumen untersucht. Die wichtigsten Beiträge der Arbeit sind: [ * Optimierung der der Symbolfehlerwahrscheinlichkeit (SEP) und der Kanalkapazität im reinen LOS Fall, sowie Ableitung der Ausdrücke für SEP und Kanalkapazität. Die Beschränkung auf den reinen LOS-Fall ist motiviert durch die Tatsache, dass der Millimeterwellen-Funkkanal für Innenräume durch die LOS Komponente dominiert wird und die non-line-of-sight (NLOS) Komponenten nur geringfügig zur gesamten empfangenen Leistung beitragen. Vorschlag von geeigneten Hardwarearchitekturen für FGSM und VGSM im Millimeterwellenbereich, welche die Herausforderung der Aktivierung von bzw. Umschaltung zwischen Sendeantennen adressieren. Zudem wird die Sendeleistungsallokation für VGSM optimiert und die Energieeffizienz für beide Varianten formuliert und verglichen. Schließlich wird eine hybride digital/HF Architektur für den Empfänger beider GSM-Varianten vorgeschlagen. Abschließend wird die SEP und die Kanalkapazität von GSM für gemessene 60 GHz Funkkanalcharacteristiken angegeben. Die Funkkanalmessungen wurden in einer Büroumgebung an der Brno University of Technology in der Tschechischen Republik durchgeführt. Diese Untersuchung dient der Überprüfung der Annahme, dass der 60 GHz Funkkanal für Innenräume durch die LOS Komponente dominiert wird, und erlaubt den Einfluss der NLOS Komponenten zu studieren. ] Insgesamt zeigt die Arbeit, dass GSM ein vielversprechendes Verfahren für breitbandige Kommunikationssysteme im Millimeterwellenbereich unter LOS Bedingungen ist.

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