Interference robust RF beamforming transceivers for mmWave and beyond
Javed, Muhammad Yasir (2024-10-24)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202409105784
Kuvaus
Tiivistelmä
Phased arrays are used in transceivers at millimeter wave (mmW) and higher frequencies to account for path losses and produce extremely directional beamforming gains. Spatial signal leakage, however, may lower the signal-to-interference-plus-noise ratios (SINRs) of other users in different directions, hence reducing their throughputs. The challenge of error-free signal detection in the presence of spatial interference frequently calls for complicated, power-hungry radio frequency (RF) components with a high dynamic range to deliver the required SINRs. Most interference reduction techniques, both in theory and in practice, require one to control the amplitude of the antenna paths, which results in inefficient use of available power by the power amplifiers, reducing effective isotropic radiated power (EIRP) and, as a result, coverage.
This thesis explores several dynamic beamforming scenarios and strategies for decreasing interference in phased array systems at mmW and higher frequencies. In systems that have multiple beams, it explores the possibility of using crosscoupled signals to eliminate inter-beam interference (IBI) that affects both transmit and receive beamformers. This assumes that a radio system like 5GNR is aware of interferers in both uplink and downlink (i.e., transmit and receive directions). As the relative bandwidth increases, beam squint, or frequency dependent directivity, limits the wideband IBI cancellation by changing the level and direction of the spatial null towards the interferer. To address the wideband issue the crosscoupled signal approach is further refined, and an analysis of wideband IBI cancellation is also provided.
This thesis also provides a method of stacking uniform linear arrays (ULAs) of various sizes to eliminate sidelobes and produce nulls in the radiated beam pattern. The stacking subarrays approach is designed with predetermined performance constraints to guarantee that the implementation is viable and to enhance sidelobe reduction and null out any known interference. Moreover, this thesis includes a study on improving the quantization of analog beamformers to take advantage of interference cancellation in multibeam phased arrays. In this thesis, the approaches examined for spatial interference reduction are validated through theoretical analysis, simulations, and some practical assessments utilizing over-the-air (OTA) measurements.
Millimetriaaltoalueen (mmW) lähetinvastaanottimet käyttävät useita rinnakkaisia vaiheistettuja ryhmiä kapeiden keilojen muodostamiseen palvellakseen useita käyttäjiä samanaikaisesti. Sivukeilat kuitenkin aiheuttavat häiriötä käyttäjien välille näin heikentäen suorituskykyä. Virheettömän signaalin havaitseminen häiriöisessä ympäristössä vaatii usein säädettäviä radiotaajuuskomponentteja, joilla on suuri dynaaminen toiminta-alue. Useimmat häiriönvähennystekniikat edellyttävät antennipolkujen amplitudin ohjaamista. Tämä johtaa käytettävissä olevan lähetystehon tehottomaan käyttöön, koska kaikkia tehovahvistimia ei ohjata maksimaaliseen hyötysuhteeseen.
Tämä opinnäytetyö tutkii lähestymistapoja keilojen välisen häiriön vähentämiseksi korkeilla taajuuksilla. Ensimmäisessä osassa keskitytään ratkaisemaan ongelma käyttämällä ristikytkettyjä signaaleja eri aliryhmien häiriön nollaamiseen. Työssä huomataan, että laajakaistaisissa järjestelmissä keilan leviäminen taajuuskaistan yli vaikuttaa merkittävästi myös nolliin tehden näin interferenssin nollauksesta kaistarajoitettua. Monen kantoaallon aggregoivissa järjestelmissä ongelma ratkaistaan nollaamalla jokainen kantoaaltokomponentti erikseen tai ryhmissä. Toinen osa työstä keskittyy menetelmiin, jossa antenniryhmän geometrista muotoa voidaan käyttää keilojen muokkaukseen. Esitetty menetelmä käyttää useita erikokoisia lineaarisia antenniryhmiä yhdessä muokkaamaan tilatason amplitudijakaumaa pienentämään sivukeiloja ja/tai muodostamaan nollia haluttuihin suuntiin. Esitetty menetelmä mahdollistaa uudenlaisen tavan antenniryhmän konfigurointiin erilaisiin skenaarioihin. Menetelmää testataan myös kokeellisesti mittaamalla 28 GHz taajuudella toimivaa vaiheistettua ryhmää ilma-rajapinnan yli. Edellä mainittujen lisäksi työssä esitetään myös menetelmä, jolla voi pienentää keilan virhettä vektorimodulaattori-pohjaisessa analogisessa nollapakotuksessa.
Työ sisältää teoreettista analyysiä, simulointeja, sekä kokeellisia tuloksia. Simulointeja suoritetaan sekä ideaalisilla signaaleilla laskemalla pelkkiä keiloja, sekä moduloiduilla signaaleilla mukaan lukien viidennen generaation (5G) tietoliikennestandardin mukaiset aaltomuodot. Työn tuloksia voidaan soveltaa erilaisissa monikeilajärjestelmissä sekä tulevaisuuden matkapuhelinjärjestelmissä että esimerkiksi tutka ja satelliittijärjestelmissä keilojen välisen interferenssin pienentämiseen ja hallitsemiseen.
Original papers
-
Javed, M. Y., Tervo, N., & Pärssinen, A. (2018). Inter-beam interference reduction in hybrid mmW beamforming transceivers. 2018 IEEE 29th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 220–224. https://doi.org/10.1109/PIMRC.2018.8580901 https://doi.org/10.1109/PIMRC.2018.8580901
-
Javed, M. Y., Tervo, N., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2019). Sidelobe reduction by subarray stacking for uniformly excited mmW phased arrays. 2019 IEEE 30th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 1–5. https://doi.org/10.1109/PIMRC.2019.8904322 https://doi.org/10.1109/PIMRC.2019.8904322
-
Javed, M. Y., Tervo, N., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2021). Spatial interference reduction by subarray stacking in large two-dimensional antenna arrays. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 69(7), 3863–3874. https://doi.org/10.1109/TAP.2020.3044687 https://doi.org/10.1109/TAP.2020.3044687
-
Javed, M. Y., Tervo, N., Akbar, R., Khan, B., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2021). Improving analog zero-forcing null depth with N-bit vector modulators in multi-beam phased array systems. 2021 IEEE 93rd Vehicular Technology Conference (VTC2021-Spring), 1–5. https://doi.org/10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448713 https://doi.org/10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448713
-
Javed, M. Y., Tervo, N., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2023). Wideband inter-beam interference cancellation for mmW/Sub-THz phased arrays with squint. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 72(6), 7560–7572. https://doi.org/10.1109/TVT.2023.3242133 https://doi.org/10.1109/TVT.2023.3242133
Osajulkaisut
-
Javed, M. Y., Tervo, N., & Pärssinen, A. (2018). Inter-beam interference reduction in hybrid mmW beamforming transceivers. 2018 IEEE 29th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 220–224. https://doi.org/10.1109/PIMRC.2018.8580901 https://doi.org/10.1109/PIMRC.2018.8580901
-
Javed, M. Y., Tervo, N., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2019). Sidelobe reduction by subarray stacking for uniformly excited mmW phased arrays. 2019 IEEE 30th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 1–5. https://doi.org/10.1109/PIMRC.2019.8904322 https://doi.org/10.1109/PIMRC.2019.8904322
-
Javed, M. Y., Tervo, N., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2021). Spatial interference reduction by subarray stacking in large two-dimensional antenna arrays. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 69(7), 3863–3874. https://doi.org/10.1109/TAP.2020.3044687 https://doi.org/10.1109/TAP.2020.3044687
-
Javed, M. Y., Tervo, N., Akbar, R., Khan, B., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2021). Improving analog zero-forcing null depth with N-bit vector modulators in multi-beam phased array systems. 2021 IEEE 93rd Vehicular Technology Conference (VTC2021-Spring), 1–5. https://doi.org/10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448713 https://doi.org/10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448713
-
Javed, M. Y., Tervo, N., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2023). Wideband inter-beam interference cancellation for mmW/Sub-THz phased arrays with squint. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 72(6), 7560–7572. https://doi.org/10.1109/TVT.2023.3242133 https://doi.org/10.1109/TVT.2023.3242133
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38841]