Massive Spatial Multiplexing Using Large Aperture Antenna Arrays
Tid: To 2025-09-11 kl 10.00
Plats: Harry Nyquist, C:728, Malvinas väg 10, main Campus
Språk: Engelska
Ämnesområde: Telekommunikation
Licentiand: Amna Irshad , Kommunikationssystem, CoS
Granskare: Associate Professor Aryan Kaushik, Manchester Metropolitan University, Manchester, UK
Huvudhandledare: Professor Emil Björnson, Kommunikationssystem, CoS
QC 20250811
Abstract
Den ständigt växande efterfrågan på högre datahastigheter i trådlösa system har drivit på utforskandet av nya metoder för att utnyttja rumsliga frihetsgrader i MIMO-system (multiple-input multiple-output). Denna avhandling undersöker potentialen hos både fasta och rörliga gruppantenner, i såväl fri siktlinje (LOS) som flervägsrika miljöer, för att optimera prestandan för rumslig multiplexing i smalbandiga och bredbandiga system.
Först beaktas fasta, dubbelpolariserade, plana gruppantenner, och deras rumsliga konfiguration optimeras för att maximera MIMO-kanalmatrisens rang och konditionstal. Genom noggrann optimering av antennavstånden visas det att MIMO-rangen kan växa kvadratiskt med bärfrekvensen, vilket möjliggör datahastigheter långt över 1 Tbps. Analytiska och numeriska resultat bekräftar att strategiskt utformade glesa gruppantenner kan leverera överlägsen spektraleffektivitet, även när den fysiska ytan är begränsad.
Baserat på detta undersöks därefter gruppantenner bestående av rörliga antenner (MA, movable antennas) som har förmågan att dynamiskt anpassa antennpositionerna till förändrade kanalförhållanden. Även om de är teoretiskt kraftfulla, är realtidsoptimering av MA-system beräkningsintensivt och praktiskt utmanande. För att hantera detta introduceras en föroptimerad PIA-design (pre-optimized irregular array, föroptimerad oregelbunden gruppantenn), där antennpositionerna är fasta och förutbestämda baserat på statistisk kunskap om täckningsområdet för mobilmasten. Med hjälp av partikelsvärmoptimering visas att PIA-designen uppnår prestanda nära den för helt dynamiska MA-system, utan behov av realtidsoptimering av antennpositionerna.
Slutligen analyseras MA-system i bredbandiga MIMO-scenarier, där hårdvarubegränsningar och flervägsutbredning skapar ytterligare utmaningar. En ny bredbandig systemmodell härleds som inkluderar hårvarudistorsion, och antennpositionerna optimeras för att maximera den genomsnittliga datahastigheten över alla underbärvågor. Resultaten visar att de relativa prestandafördelarna med MA-system jämfört med fasta gruppantenner är starkt beroende av faktorer som sändarhårdvarans kvalitet, kanalens fädningsrikedom och antalet mängden bandbredd.
Sammantaget presenterar denna avhandling en bred utforskning av antenngruppdesign som sträcker sig från optimerade fasta geometrier till adaptiva rörliga antennkonfigurationer i både smalbandiga och bredbandiga system. De insikter som erhållits ger praktiska riktlinjer för att utformningen av nästa generations MIMO-kommunikationsnätverk med hög kapacitet.