8×1 Antenna Array System for Uplink Beamforming in LTE-A and 5G NR

Abstract

[ES] La tecnologia en fases de paquets es va convertir en dècades enrere en la indústria del radar. Avui en dia, la matriu de fases o la formació de bigues s'està convertint en una necessitat per a la comunicació digital. L'explotació d'un sistema de transmissió de feixos ajudarà a reduir el consum total d'energia de les estacions base i dels equips d'usuaris. També permetrà al servei oferir dades molt més elevades i millorar la qualitat del servei. La investigació sobre la comunicació digital i la comunicació requereix una antena i un maquinari compatible. El maquinari hauria de ser capaç de gestionar diferents escenaris i enfocaments per a problemes de comunicació mòbil. Hi ha diversos sistemes utilitzats per a la investigació de la formació de bigues, especialment per a la comunicació mòbil. Aquests sistemes pateixen de diverses deficiències. Són cares d'implementar, no adaptatives i fixades a una arquitectura relacionada amb determinat algorisme de generació de feixos o amb un nombre d'elements d'array fix. En aquesta tesi es proposa un nou sistema de matrius per fases. Aquest sistema es podria explotar per a la investigació en problemes de comunicació mòbil o radar. Està compost per una xarxa d'antenes planes de 8x1, canals de conversió de RF a banda base i processador de banda base. Es fa una estimació de la transformació de fases i de la DOA en mostres digitals de banda base. Això proporciona al sistema dinàmica quant als algorismes provats. Amb aquesta finalitat, es fan servir juntes SDR àgils per adquirir senyals de la matriu d'antenes i convertir-les en fluxos de dades digitals. Els fluxos de dades es processen després en un processador de banda base basat en FPGA. A més de ser baixos en costos i assequibles per part de petits instituts d'investigació i investigacions independents, el sistema es pot ajustar per portar més elements de matriu d'antenes. La matriu monopola plana de 8x1 està dissenyada, simulada i mesurada. Es combinen i descriuen les característiques d'impedància i de radiació. Els SDR s'introdueixen i es calibren per al funcionament de diversos elements i s'introdueixen els mètodes de calibratge per incerteses de fase i amplitud. El rendiment global del sistema es prova mitjançant diferents algorismes de formulació de feixos i algorismes de direcció d'estimació d'arribada. Els resultats de la mesura mostren que el sistema és fiable. S'aconsegueix un model de beamformació amb bona resolució i un rebuig elevat de la interferència. La estimació de la direcció d'arribada és precisa.

[CA] La tecnología de matriz en fase hizo una rotación en la industria del radar hace décadas. Hoy en día, la matriz en fase, o formación de haz, se está convirtiendo en una necesidad para la comunicación digital. La explotación de la formación de haz ayudaría a reducir el consumo de energía general de las estaciones base y el equipo del usuario. También permitirá que el servicio brinde datos mucho más altos y mejore la calidad del servicio. La investigación sobre la formación y comunicación de haces digitales requiere un conjunto de antenas y hardware compatible. El hardware debe ser capaz de manejar diferentes escenarios y enfoques para problemas de comunicación móvil. Hay varios sistemas utilizados para la investigación de conformación de haz, especialmente para la comunicación móvil. Estos sistemas sufren de varias deficiencias. Son costosos de implementar, no adaptativos y fijos a una arquitectura relacionada con cierto algoritmo de conformación de haz o con un número de elementos de arreglo fijo. En esta tesis, se propone un nuevo sistema matricial por fases. Este sistema podría ser explotado para la investigación en comunicaciones móviles o problemas de radar. Está compuesto por un conjunto de antenas planas de 8x1, canales de conversión de RF a banda base y procesador de banda base. La formación de haz y la estimación de DOA se realizan en muestras digitales de banda base. Esto proporciona al sistema dinamismo con respecto a los algoritmos probados. Para ese propósito, las tarjetas SDR ágiles se utilizan para adquirir señales de la red de antenas y convertirlas en flujos de datos digitales. Los flujos de datos se procesan en un procesador de banda base basado en FPGA. Además de ser de bajo costo y asequible para los pequeños institutos de investigación e investigaciones independientes, el sistema se puede ajustar para llevar más elementos de la red de antenas. El conjunto monopolo plano 8x1 está diseñado, simulado y medido. La correspondencia de impedancia y las características de radiación se representan y describen. Los SDR se introducen y se calibran para la operación de elementos múltiples y se introducen los métodos de calibración para las incertidumbres de fase y amplitud. El rendimiento general del sistema se prueba mediante diferentes algoritmos de conformación de haz y algoritmos de estimación de la dirección de llegada. Los resultados de las mediciones muestran que el sistema es confiable. Se logra una conformación de haz con buena resolución y alto rechazo de interferencia. Dirección de estimación de la llegada es precisa.

[EN] Phased array technology made a turnover in radar industry decades ago. Nowadays, phased array, or beamforming, is becoming a necessity for digital communication. Exploiting beamforming would help in reducing the overall power consumption of base stations and user equipment. It will also enables the service to provide much higher datarates and enhance the quality of service. Research on digital beamforming and communication requires antenna array and compatible hardware. The hardware should be capable of handling different scenarios and approaches for mobile communication problems. There are several systems used for beamforming research especially for mobile communication. These systems suffer from several deficiencies. They are either expensive to implement, not adaptive and fixed to an architecture related to certain beamforming algorithm or with fixed array elements number. In this thesis, a new phased array system is proposed. This system could be exploited for research in mobile communication or radar problems. It is composed of 8x1 planar antenna array, RF to baseband conversion channels and base band processor. Beamforming and DOA estimation is done on base band digital samples. This provides the system with dynamicity regarding tested algorithms. For that purpose, agile SDR boards are used to acquire signals from antenna array and convert them to digital data streams. Data streams are then processed in an FPGA based base band processor. In addition to being low in cost and affordable by small research institutes and freelancing researches, the system can be adjusted to carry more antenna array elements. The 8x1 planar monopole array is designed, simulated and measured. Impedance matching and radiation characteristics are plotted and described. SDRs are introduced and calibrated for multi-element operation and calibration method for phase and amplitude uncertainties are introduced. Overall system performance is tested by different beamforming algorithms and direction of arrival estimation algorithms. Measurement results show that the system is reliable. Beamforming with good resolution and high interference rejection is achieved. Direction of arrival estimation is accurate.