Beam Selection Techniques in Millimeter Wave Communications

Abstract

Millimeter wave (mmWave) communication is an advantageous technology which is capable of meeting the needs of future mobile networks. On the other hand, the propagation characteristics and system requirements are the restrictive factors for utilization of mmWave communication. Hybrid and digital beamforming architectures can be evaluated as worthy candidates to utilize mmWave communication. In the hybrid architecture, selection of a few number of beams by exploiting the sparse structure of the beamspace channel provides high spectral efficiency with low complexity. In this thesis, the multi-user mmWave communication in sparse and dense environments are investigated. Beam selection algorithms presented in the literature are performed for the sparse environment. While the number of users is equal to the number of radio frequency (RF) chains in a sparse environment, the number of RF chains is less than the number of users in a dense environment. Therefore, an algorithm which performs beam and user selection for the dense environment is proposed. The user selection in the proposed beam and user selection algorithm is performed based on the correlation among users’ channels. Since the users’ channels are highly correlated in mmWave communication, the proposed beam and user selection algorithm improves the spectral efficiency considerably. Furthermore, a non-uniform rectangular array (NURA) antenna configuration for mmWave communication is investigated when the digital beamforming architecture is employed. Then, a user selection algorithm is proposed under the case of lower number of antennas. The simulation results demonstrate the improvement in sum data rate through the proposed user selection algorithm in mmWave communication with NURA configuration.

Milimetre dalga haberleşmesi, gelecekteki mobil ağların ihtiyaçlarını karşılayabilecek avantajlı bir teknolojidir. Öte yandan, yayılma özellikleri ve sistem gereksinimleri, milimetre dalga haberleşmesinin kullanımını kısıtlayan faktörlerdir. Hibrit ve dijital hüzme oluşturma mimarileri, milimetre dalga haberleşmesini kullanmak için değerli birer aday olarak değerlendirilebilir. Hibrit mimaride, ışın-uzay kanalının seyrek yapısından faydalanarak birkaç hüzmenin seçimi, düşük karmaşıklığa sahip yüksek spektral verimlilik sunmaktadır.Bu tezde, seyrek ve yoğun ortamlarda çok kullanıcılı milimetre dalga haberleşmesi incelenmektedir. Literatürde sunulan hüzme seçim algoritmaları, seyrek ortam için uygulanmaktadır. Kullanıcı sayısı seyrek bir ortamda radyo frekansı (RF) zincirlerinin sayısına eşit iken, yoğun bir ortamda RF zinciri sayısı kullanıcı sayısından daha azdır. Bu nedenle, yoğun ortamlar için hüzme ve kullanıcı seçimlerini birlikte gerçekleştiren bir algoritma önerilmiştir. Önerilen hüzme ve kullanıcı seçim algoritmasındaki kullanıcı seçimi, kullanıcı kanalları arasındaki korelasyon esas alınarak yapılır. Kullanıcı kanallarının milimetre dalga haberleşmesinde yüksek oranda korelasyon göstermesi nedeniyle, önerilen hüzme ve kullanıcı seçim algoritması spektral verimliliği önemli ölçüde arttırmaktadır. Ayrıca, dijital hüzme oluşturma mimarisi kullanıldığında, milimetre dalga haberleşmesi için düzenli olmayan dikdörtgen dizi (NURA) anten konfigürasyonları incelenmektedir. Ardından, daha az sayıda anten olması durumunda bir kullanıcı seçim algoritması önerilmektedir. Simülasyon sonuçları, önerilen kullanıcı seçim algoritması yoluyla NURA yapısı ile milimetre dalga haberleşmesindeki toplam veri hızındaki iyileşmeyi göstermektedir.