Design and characterisation of 5G mmWave MIMO antenna systems with beamforming capabilities over AWGN and rayleigh channels

Abstract

In the light of the incessant technological breakthroughs occurred in 5G and beyond B5G wireless communication systems to assure high coverage, reliability, spectral efficiency and mobility characteristics, the exploitation of 5G FR2 mmWave spectrum in conjunction with MIMO antenna systems may provide the most appropriate solution to enable 5G ecosystem by fulfilling these demanding requirements. While 5G mmWave band offers optimal bandwidths (>1GHz) and extreme data rates (>20Gbps), it must be noted that EM waves suffer from higher path losses, thus limiting channel SNR/coverage. In this regard, not only do MIMO antenna systems may increase channel SNR/coverage and mobility by implementing Beamforming techniques but also channel robustness and capacity may be enhanced when performing Generalized Beamforming and SU/MU- MIMO techniques via exploiting spatial diversity and spatial multiplexing, respectively. Furthermore, since frequency and wavelength are inversely proportional, it will be feasible to deploy low-profile multi-antenna MIMO resonant systems in the 5G mmWave band without compromising available physical dimensions. Therefore, firstly a 5G mmWave 28 GHz MSA microstrip patch antenna with 1 GHz bandwidth will be designed and characterised with CST and MATLAB. Consequently, three prototypes of 5G mmWave 28 GHz MIMO bidimensional planar antenna systems with Beamforming, Generalized Beamforming and SU/MU- MIMO techniques respectively will be designed and analysed with CST and MATLAB depending on channel propagation model (LOS AWGN/NLOS Rayleigh) and MIMO system requirements (SNR, coverage, BER, capacity, mobility). In conclusion, even though it has been proved that MIMO antenna systems do enhance SISO antenna systems performance, a trade-off must be made between these MIMO system requirements when it comes to defining the number of sub-arrays, antennas per sub-array, array current distribution, electric distance between antennas as well as the most suitable MIMO techniques to be implemented.

Ante el constante avance tecnológico en el ámbito de los sistemas de comunicaciones modernos 5G y B5G con el objetivo de asegurar prestaciones de alta cobertura, fiabilidad, eficiencia espectral y movilidad; los sistemas multi-antena MIMO junto con la explotación de la banda milimétrica 5G mmWave han sido considerados como la solución más adecuada para satisfacer dichos requisitos y habilitar el ecosistema 5G. Por un lado, la banda milimétrica 5G ofrece óptimos anchos de banda (>1GHz) y tasas de velocidad extremas (>1Gbps). No obstante, deben de tenerse en cuenta las altas pérdidas de propagación a alta frecuencia que limitarán las prestaciones de SNR y cobertura. En este sentido, los sistemas multi-antena MIMO permitirán suplir dichas limitaciones e incrementar la ganancia, SNR y cobertura mediante técnicas de Beamforming. Además, mediante el empleo de las técnicas MIMO Generalized Beamforming y SU/MU MIMO se permitirá aumentar la robustez y capacidad de canal gracias a la ganancia de diversidad y multiplexación espacial, respectivamente. Por tanto, en primer lugar, se propone el diseño y caracterización, mediante CST Microwave Studio y MATLAB, de una antena de parche microstrip 5G mmWave 28 GHz con ancho de banda 1GHz. Posteriormente, se procederá a diseñar y caracterizar mediante CST y MATLAB tres prototipos de sistemas multi-antena bidimensionales MIMO 5G mmWave 28 GHz con técnicas de Beamforming, Generalized Beamforming y SU/MU MIMO respectivamente en función del modelo de propagación de canal (LOS AWGN/NLOS Rayleigh) y los requerimientos del sistema (SNR, cobertura, BER, capacidad, movilidad). Finalmente, a pesar de que se ha demostrado que los sistemas multi-antena MIMO mejoran el rendimiento de sistemas SISO, cabe apuntar que deberá de existir un compromiso entre dichos requerimientos del sistema a la hora de definir el número de sub-arrays, antenas por sub-array, distribución de corriente del array, distancia entre elementos, así como las técnicas de sistemas multi-antena MIMO más apropiadas.

Davant el constant avanç tecnològic en l'àmbit dels sistemes de comunicacions moderns 5G i B5G amb l'objectiu d'assegurar prestacions d'alta cobertura, fiabilitat, eficiència espectral i mobilitat; els sistemes multi-antena MIMO juntament amb l'explotació de la banda mil·limètrica 5G mmWave han estat considerats com la solució més adequada per satisfer aquests requisits i habilitar l'ecosistema 5G. D'una banda, la banda mil·limètrica 5G ofereix òptims amples de banda (> 1GHz) i taxes de velocitat extremes (> 1Gbps). No obstant això, s'han de tenir en compte les altes pèrdues de propagació a alta freqüència que limitaran les prestacions de SNR i cobertura. En aquest sentit, els sistemes multi-antena MIMO permetran suplir aquestes limitacions i incrementar el guany, SNR i cobertura mitjançant tècniques de Beamforming. A més, mitjançant l'ús de les tècniques MIMO Generalized Beamforming i SU / MU MIMO es permetrà augmentar la robustesa i capacitat de canal gràcies al guany de diversitat i multiplexació espacial, respectivament. Per tant, en primer lloc, es proposa el disseny i caracterització, mitjançant CST Microwave Studio i MATLAB, d'una antena de pegat microstrip 5G mmWave 28 GHz amb ample de banda 1GHz. Posteriorment, es procedirà a dissenyar i caracteritzar mitjançant CST i MATLAB tres prototips d'sistemes multi-antena bidimensionals MIMO 5G mmWave 28 GHz amb tècniques de Beamforming, Generalized Beamforming i SU / MU MIMO respectivament en funció de el model de propagació de canal (ELS AWGN / NLOS Rayleigh) i els requeriments de sistema (SNR, cobertura, BER, capacitat, mobilitat). Finalment, tot i que s'ha demostrat que els sistemes multi-antena MIMO milloren el rendiment de sistemes SISO, cal apuntar que haurà d'existir un compromís entre aquests requeriments de sistema a l'hora de definir el nombre de sub-arrays, antenes per sub-array, distribució de corrent de l'array, distància entre elements, així com les tècniques de sistemes multi-antena MIMO més apropiades.