Wireless channel characterization and MIMO performance analysis in complex indoor scenarios at sub-6 GHz band

• Autores: Luis Lenín Trigueros Chavarria
• Directores de la Tesis: Carlos del Río Bocio (dir. tes.), Francisco Falcone (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 153
• Títulos paralelos:
  • Caracterización de canales inalámbricos y análisis de rendimiento MIMO en escenarios interiores complejos en la banda sub-6 GHz
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen
  • español

    La continua evolución de los sistemas de comunicación inalámbrica tiene como objetivo proporcionar parámetros adecuados en términos de tasas de bits de transmisión más altas, capacidad y mayor eficiencia espectral. Todo esto derivado del contexto de IoT, IIoT y las aplicaciones 5G como Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra-Reliable Low-Latency Communications (uRLLC) y Massive Machine-Type Communications (mMTC). Las funcionalidades de la capa física, como MIMO, pueden aumentar el rendimiento y proporcionar mayores relaciones de cobertura/capacidad. Sin embargo, su rendimiento se ve directamente afectado por las características del canal de radio definidas en la matriz del canal de radio y otras condiciones, como la separación de las antenas empleadas, la influencia de la dispersión humana o el efecto de evolución de fase. En este trabajo de investigación se han realizado tres casos de estudio particulares y útiles. En primer lugar, Se analiza el rendimiento de un sistema MIMO que opera dentro de una banda compatible con 5G NR FR1, considerando el análisis de canal volumétrico en frecuencia/potencia, así como en el dominio del tiempo y el impacto del espaciado de antena variable. Los resultados muestran un claro beneficio en el nivel de potencia recibido, ya que la distancia entre antenas aumenta de 1 λ a 3 λ en el caso de un escenario interior complejo. En segundo lugar, analizamos la influencia de la dispersión humana en un entorno interior complejo que consiste en una sala de conferencias en un diseño plenario. Para este estudio, también se consideró la banda de frecuencia 5G NR FR1. Los resultados muestran que el 0 % de ocupación humana tiene una mejora de 3 dB sobre el 100 % de ocupación cuando se analizan los valores de BER. Además, también se observó una disminución importante en los niveles de potencia total recibidos: hay una pérdida de alrededor de 10 dBm cuando la ocupación es del 50%, otra pérdida de 6 dBm cuando la premisa está completa en comparación con el 50% y un total de 16 dBm de pérdida entre el 100% de ocupación sobre el lugar vacío. En el contexto de IoT e IIoT, con el objetivo de habilitar entornos conscientes del contexto, se requieren sistemas de transceptores distribuidos capaces de proporcionar capacidades de baja latencia y bajo costo. Los sistemas de entrada única y salida múltiple proporcionan una solución adecuada al permitir la detección basada en energía no coherente. Las distribuciones de fase juegan un papel clave en la ubicación del transceptor y, por lo tanto, en la operación general del sistema. Finalmente, en esta tesis, la operación SIMO basada en el análisis de fase volumétrica se realiza en escenarios interiores, empleando la estimación determinista del canal de lanzamiento de rayos 3D. La metodología propuesta permite la estimación del rendimiento del sistema en función de la ubicación del transceptor distribuido,

  • English

    The continue evolution in wireless communication systems aims to provide adequate parameters in terms of higher transmission bit rates, capacity and increased spectral efficiency. All these deriving from the context of IoT, IIoT and the 5G applications such as Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra-Reliable Low-Latency Communications (uRLLC) and Massive Machine-Type Communications (mMTC). Physical layer functionalities such as MIMO can increase throughput and provide higher coverage/capacity relations. However, its performance is directly affected by radio channel characteristics defined in the radio channel matrix and other conditions such as employed antenna spacing, human scattering influence or phase evolution effect. In this research work, three particular and useful study cases have been performed. Firstly, the performance of a MIMO system operating within a 5G NR FR1 capable band is analyzed, by considering volumetric channel analysis in frequency/power as well as in time domain and the impact of variable antenna spacing. The results show a clear benefit in received power level as antenna spacing is increased from 1λ to 3λ in the case of a complex indoor scenario. Secondly, we analyzed the influence of human scattering in a complex indoor environment consisting in a conference room in a plenary layout. For this study, 5G NR FR1 frequency band was also considered. Results show that 0% of human occupancy has 3 dB enhancement over 100% occupancy when analyzing BER values. Besides, it was also observed an important decrease in total power levels received: there is a loss of around 10 dBm when 50% occupancy, another 6 dBm loss when premise is complete compering with 50% and a total of 16 dBm of loss between 100% occupancy over empty place. In the context of IoT and IIoT, aiming to enable context aware environments, distributed transceiver systems capable of providing low cost, low latency capabilities are required. Single Input Multiple Output systems provide an adequate solution by enabling non-coherent energy-based detection. Phase distributions play a key role in transceiver location and hence overall system operation. Finally, in this thesis, SIMO operation based on volumetric phase analysis is performed on indoor scenarios, employing deterministic 3D Ray Launching channel estimation. The proposed methodology enables the estimation of system performance as a function of distributed transceiver location, aiding in network planning and deployment tasks.