Intelligent Design of mmWave Conference Networks in Built Environments

Abstract

[ES] Las redes inalámbricas interiores son una parte integral de las comunicaciones actuales. Debido a la alta demanda de confiabilidad y la enorme densidad de redes interiores, algunas de ellas están migrando hacia las frecuencias de onda milimétrica (mmW), donde están disponibles mayor ancho de banda y rendimiento. Diseñar la red para la banda mmW ofrece soluciones a algunos problemas presentes en frecuencias m 'as bajas pero también plantea nuevos desafíos. Esta Tesis se centra en particular en casos de uso de conferencias en entornos grandes. La principal funcionalidad de la red de conferencias es realizar conferencias. Principalmente, esto significa transmitir señales de audio desde los participantes y fuentes de audio a otros participantes. Por lo tanto, se presenta el conjunto de requisitos para el diseño y despliegue de la red resultantes de los estándares de la conferencia, tipos de datos, estructura de los datos transmitidos, propagación en ambientes interiores y fenómenos físicos relacionados con la longitud de onda. Las soluciones de conferencias inalámbricas existentes se proporcionan en frecuencias Wi-Fi, es decir, 2,4 GHz y 5 GHz. Sin embargo, su objetivo no es conectar a los participantes de la conferencia a Internet, sino crear una red que cumpla con los requisitos de la conferencia basada en la funcionalidad proporcionada en la familia de estándares 802.11. La enmienda 802.11ay se proporciona para la comunicación en la banda de frecuencia de 60 GHz. Para permitir una fácil transición de las redes de conferencias inalámbricas hacia mmW, se estudia la enmienda 802.11ay y el canal de radio de 60 GHz. Se considera que el estándar es inadecuado para el tipo y la cantidad de datos enviados en las redes de conferencias inalámbricas. Está diseñado para trabajar con grandes cantidades de datos, mientras que los datos principales en las redes de conferencias son audio en tiempo real. Enviar tramas de datos con esa poca información introduce una sobrecarga significativa debido a los datos del pre 'ambulo en PPDU. Sin embargo, se considera que algunas de sus características merecen una mayor exploración. Al estudiar el caso de uso de la conferencia, es importante centrarse en las configuraciones dedicadas a las conferencias, es decir, la influencia de las propiedades de los materiales interiores, la forma y el tamaño del entorno, y el tipo y ubicación de la antena en la propagación. Para el canal de radio de 60 GHz se estudia el efecto multitrayecto, lo que lleva a la creación del modelo de predicción RMS DS. Además, se muestra que la directividad en esta banda proporciona una gran ventaja si se utiliza la transmisión LoS o si el reflector conocido ayuda a dirigir el haz en la dirección de receptor (RX). Además, esta Tesis también se centra en frecuencias distintas a 60 GHz, precisamente 27 GHz y 28 GHz, las frecuencias introducidas en el Rango de Frecuencia 2 (FR2) 5G NR. Para esta Tesis se realizaron varias campañas de medición en diferentes ambientes, como el auditorio, el aula grande, la sala de reuniones y la sala de seminarios. Los resultados resaltan la importancia de conocer el entorno para optimizar el despliegue de la red. El ray tracing (RT) se utiliza para profundizar la comprensión del comportamiento de los canales de radio medidos. Se identifica el origen de los componentes de trayectorias múltiples y los objetos que son reflectores de mayor impacto. Además, las simulaciones de entornos disponibles se realizan para frecuencias, configuraciones de antenas y configuraciones de mobiliario distintas a las de las mediciones realizadas. Se midieron e introdujeron en el simulador RT los valores de las pérdidas de transmisión y reflexión introducidas por objetos presentes en entornos grandes en frecuencias de 26-40 GHz y 55-65 GHz para permitir resultados m 'as precisos de las simulaciones. La comparación entre mediciones y simulaciones muestra la utilidad de las simulaciones RT en el análisis de canales de radio.

[CA] Les xarxes sense fil d'interior són una part integral de les comunicacions actuals. A causa de l'alta demanda de fiabilitat i la gran densitat de xarxes interiors, algunes d'elles migren cap a les freqüències de les ones mil·límetres (mmW), on hi ha una amplada de banda i un rendiment més grans disponibles. Dissenyar la xarxa per a la banda mmW ofereix solucions a alguns problemes presents en freqüències més baixes però també planteja nous reptes. Aquesta tesi se centra especialment en casos d'ús de conferències en entorns grans. La principal funcionalitat de la xarxa de conferències és la realització de conferències. Principalment, això significa transmetre senyals d'àudio dels participants i fonts d'àudio a altres participants. Per tant, es presenta el conjunt de requisits per al disseny i desplegament de la xarxa resultant dels estàndards de conferència, els tipus de dades, l'estructura de les dades transmeses, la propagació en entorns interiors i els fenòmens físics relacionats amb la longitud d'ona. Les solucions de conferències sense fil existents es proporcionen en freqüències Wi-Fi, és a dir, 2,4 GHz i 5 GHz. Tanmateix, no pretenen connectar els participants de la conferència a Internet, sinó crear una xarxa que compleixi els requisits de la conferència basada en la funcionalitat proporcionada a la família d'estàndards 802.11. L'esmena 802.11ay es proporciona per a la comunicació a la banda de freqüència de 60 GHz. Per permetre una fàcil transició de les xarxes de conferències sense fil cap al mmW, s'estudia l'esmena 802.11ay i el canal de ràdio de 60 GHz. Es considera que l'estàndard és inadequat per al tipus i la quantitat de dades enviades a les xarxes de conferències sense fil. Està dissenyat per treballar amb grans quantitats de dades, mentre que les dades principals de les xarxes de conferències són àudio en temps real. L'enviament de trames de dades amb aquesta poca informació introdueix una sobrecàrrega important a causa de les dades del preàmbul a PPDU. No obstant això, es considera que algunes de les seves característiques mereixen una exploració més detallada. Mentre s'estudia el cas d'ús de la conferència, és important centrar-se en les configuracions dedicades a les conferències, és a dir, la influència de les propietats dels materials interiors, la forma i la mida de l'entorn, i el tipus i col·locació d'antena en la propagació. Per al canal de ràdio de 60 GHz, s'estudia l'efecte multicamí, que condueix a la creació del model de predicció RMS DS. A més, es demostra que la directivitat en aquesta banda dóna un gran avantatge si s'utilitza la transmissió LoS o si el reflector conegut ajuda a dirigir el feix en la direcció de receptor (RX). A més, aquesta Tesi també se centra en freqüències diferents de 60 GHz, precisament 27 GHz i 28 GHz, les freqüències introduïdes en el rang de freqüències 2 (FR2) 5G NR. Per a aquesta Tesi s'han realitzat diverses campanyes de mesura en diferents entorns, com ara l'auditori, l'aula gran, la sala de reunions i la sala de seminaris. Els resultats posen de manifest la importància de conèixer l'entorn per tal d'optimitzar el desplegament de la xarxa. El ray tracing (RT) s'utilitza per aprofundir en la comprensió del comportament dels canals de ràdio mesurats. S'identifica l'origen dels components multipath i els objectes que són reflectors més impactants. A més, es realitzen simulacions dels entorns disponibles per a freqüències, configuracions d'antenes i configuracions de mobles diferents de les de les mesures realitzades. Es van mesurar els valors de les pèrdues de transmissió i reflexió introduïdes per objectes presents en entorns grans en freqüències de 26-40 GHz i 55-65 GHz i es van introduir al simulador RT per permetre els resultats més precisos de les simulacions. La comparació entre mesures i simulacions mostra la utilitat de les simulacions RT en l'anàlisi de canals de ràdio.

[EN] Indoor wireless networks are an integral part of today's communications. Due to the high demand for reliability and the huge density of indoor networks, some of them are migrating towards the Millimeter Wave (mmW) frequencies, where larger bandwidth and throughput are available. Designing the network for the mmW band offers solutions to some problems present in lower frequencies but also poses new challenges. This Thesis focuses in particular on conference use cases in large environments. The main functionality of the conference network is to conduct conferences. Primarily, this means transmitting audio signals from participants and audio sources to other participants. Therefore, the set of requirements for the network design and deployment resulting from conference standards, data types, structure of transmitted data, propagation in indoor environments, and physical phenomena related to the wavelength are presented. Existing wireless conference solutions are provided in Wi-Fi frequencies, that is 2.4 GHz and 5 GHz. However, they do not aim to connect conference participants to the Internet but to create a network fulfilling the conference requirements based on the functionality provided in 802.11 standards family. The 802.11ay amendment is provided for communication in the 60 GHz frequency band. To allow an easy transition of wireless conference networks towards the mmW, the 802.11ay amendment and the 60 GHz radio channel are studied. The standard is found to be inadequate for the type and amount of data sent in the wireless conference networks. It is designed to work with large amounts of data, whereas the primary data in conference networks is real-time audio. Sending data frames with that little information introduces significant overhead due to the preamble data in Physical Protocol Data Unit (PPDU). Nevertheless, some of its features are considered worth further exploration. While studying the conference use case, it is important to focus on setups dedicated to the conferences, that is, the influence of indoor materials properties, the environment's shape and size, and antenna type and placement on the propagation. For the 60 GHz radio channel, the multipath effect is studied, which leads to the creation of the Root Mean Square Delay Spread (RMS DS) prediction model. Moreover, it is shown that directivity in this band gives a great advantage if the Line of Sight (LoS) transmission is used or the known reflector helps to steer the beam into the direction of the receiver. Furthermore, this Thesis also focuses on frequencies other than 60 GHz, precisely 27 GHz and 28 GHz, the frequencies introduced in Frequency Range 2 (FR2) Fifth Generation (5G) New Radio (NR). Several measurement campaigns were performed for this Thesis in different environments, such as the auditory, the large classroom, the meeting room, and the seminar room. The results highlight the importance of knowing the environment in order to optimize network deployment. The Ray Tracing (RT) is used to deepen the understanding of the measured radio channels' behaviour. The origin of multipath components and the objects that are most impactful reflectors are identified. Moreover, the simulations of available environments are performed for frequencies, antenna setups, and furniture configurations other than those in performed measurements. Values of transmission and reflection losses introduced by objects present in large environments in frequencies 26-40 GHz and 55-65 GHz were measured and introduced into the RT simulator to allow the most precise results of simulations. Comparison between measurements and simulations shows the usefulness of RT simulations in radio channel analysis.