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Abstrakt in Englisch

Millimeter-wave frequencies offer a wide spectrum and high data rates, but their use is associated with high propagation losses. These losses can be compensated for by using directional links between the transmitter and the receiver. Beamforming is hereby key to generate array manifolds with maximum energy transfer at each receiver location to improve the quality of the link. However, in conventional systems, e.g., phased arrays, beamforming is associated with consecutive probing of a large number of potential beams from a given analog codebook leading to large signaling overhead. Especially in dense network situations or fast-changing environments, the classical method of brute force iterative testing of all potential beams limits the overall performance of the system. In this thesis, a beamforming network based on true-time delays that intentionally violates the so-called narrowband assumption so that the generated beam pattern becomes frequency dependent, is proposed as a promising alternative to classical iterative beamformer training. Compared to the brute-force approach, a hardware implementation based on true-time delays of multiples of the reciprocal of the band- width can be used to generate frequency dependent beamformers that simultaneously address all angular directions at different baseband frequencies. We exploit this prop- erty and present low-complexity digital signal processing algorithms to both accelerate analog beamformer selection and provide the most accurate angle estimation possible. Our results will help in highly congested millimeter-wave networks with a large number of users to overcome the limitations of the classical method of iterative beam-forming testing as defined in the 801.11ay standard and we will propose a framework which is able to reduce the signaling overhead of orchestrating all user requirements. Link quality and overall network performance can be improved using frequency de- pendent beamforming, where receivers need only perform a simple spectrum analysis to find their own best analog beamformer or angle of departure estimation. We show how to select the analog beamformer faster than in the classical brute-force approach and how to estimate the beam angle with a mean absolute error less than 1◦ with low hardware complexity, i.e., array sizes of M = [8, 16] antenna elements. A base station equipped with such a frequency dependent beamforming device assists all receiver selecting their best analog beamformers and, ultimately, helps to maximize the number of active users and data sum-rates. It is interesting to note that increasing the number of antenna elements M does not immediately increase the accuracy of the angle estimation. Only the resolution, i.e., distinguishing two individual paths with almost equal angle of departure can be improved. Hereby, the Rayleigh criterion defines a well known minimum angular resolution for given antenna array physical dimension. Increasing the number of frequency sampling points, however, minimizes the quantization error when sampling the power spectrum and, therefore, helps to minimize estimation error.

Abstrakt in Deutsch

Die Nutzung von Millimeterwellenfrequenzen im Bereich der mobilen Datenüber- tragung wird mit dem Versprechen großer ungenutzter Frequenzbereiche und da- raus resultierender hoher Datenraten angepriesen. Ihre Nutzung ist jedoch mit hohen Ausbreitungsverlusten verbunden. Diese Verluste können durch gerichtete Verbindun- gen zwischen der Basisstation und den Endgeräten der Nutzer reduziert werden. Die Strahlformung ist dabei der Schlüssel, um den „Beam“ gezielt auf den jeweiligen Nutzer auszurichten und die Verbindungsqualität sowie das Link Budget zu verbessern. Bei herkömmlichen Ansätzen mit vielen Antennenelementen, wie z.B. Phased Arrays, ist die Strahlformung jedoch mit einem hohen Signalisierungsaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein auf Echtzeitverzögerungen basierendes Strahlformungsnet- zwerk vorgestellt und als vielversprechende Alternative zum iterativen brute-force Strahlformungstraining vorgeschlagen. Im Vergleich zu diesem herkömmlichen Ansatz, bei dem alle möglichen Strahlformerkombinationen getestet werden, kann durch fest implementierte Echtzeitverzögerungen, die als Vielfaches des Kehrwerts der Band- breite ausgelegt sind, ein frequenzabhängiger Strahlformer für eine lineare Grup- penantenne erzeugt werden. Eine solche Antenne erlaubt es, alle Strahlrichtungen gle- ichzeitig mit unterschiedlichen Basisbandfrequenzen anzusprechen. Diese Eigenschaft machen wir uns zunutze und stellen im Folgenden digitale Signalverarbeitungsalgo- rithmen mit geringer Komplexität vor, um sowohl die Auswahl analoger Strahlformer zu beschleunigen als auch eine möglichst genaue Winkelschätzung durchzuführen. In stark ausgelasteten Millimeterwellen-Netzwerken und bei einer großen Anzahl von Nutzern führt die klassische Methode des iterativen Strahlformungstests, wie sie im 801.11ay-Standard definiert ist, zu einem erheblichen SignalisierungsOverhead. Die daraus resultierende erhöhte Komplexität bei der Orchestrierung aller Nutzer- anforderungen, um die starken Interferenzen zwischen den einzelnen Nutzern zu re- duzieren, stellt eine große Hürde für die Nutzung von Millimeterwellen für die mobile Datenübertragung dar. Mit Hilfe der frequenzabhängigen Strahlformung zur schnellen Detektion möglicher Übertragungsrichtungen und Strahlformer kann die Linkqual- ität für jeden Nutzer schnell bestimmt und damit die Gesamtleistung des Netzes verbessert werden. Die Entscheidung wird dabei auf Basis einer einfachen Spektru- manalyse bzw. daraus abgeleiteten Winkelschätzungen getroffen. In dieser Arbeit wird sowohl gezeigt, wie die Auswahl des analogen Strahlformers schneller als mit dem klassischen Brute-Force-Ansatz erfolgen kann, als auch eine Möglichkeit, den Abstrahlwinkel mit einem mittleren absoluten Fehler kleiner 1◦ bei geringem Hard- wareaufwand und Arraygrößen von M = [8, 16] zu schätzen. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Verwendung eines frequenzabhängigen Beamformers, der sendeseitig eingesetzt die Auswahl analoger Beamformer stark vereinfacht und letz- tendlich eine Maximierung der Anzahl aktiver Nutzer bei gegebenen Ratenanforderun- gen bzw. eine Verbesserung der Gesamtleistung des Systems erreicht. Interessant ist hier, dass durch die alleinige Erhöhung der Anzahl der Antennenelemente keine Erhöhung der Winkelschätzungsgenauigkeit erhalten wird. Lediglich die Auflösung, d.h. die Unterscheidung von zwei Einzelpfaden mit annähernd gleichem Abstrahl- /Empfangswinkel kann verbessert werden. Dabei definiert das Rayleigh-Kriterium eine bekannte Mindestwinkelauflösung für eine Antennengeometrie. Die Erhöhung der Anzahl der Frequenzabtastpunkte minimiert jedoch den Quantisierungsfehler bei der Abtastung des Leistungsspektrums und trägt somit zur Minimierung des Schätzfehlers bei.