Design and Evaluation of Compact Multi-antennas for Efficient MIMO Communications

Abstract: Popular Abstract in Swedish Användandet av mer än en antenn för både sändare och mottagare i radiokommunikation kommer att spela en viktig roll för att uppnå den önskade dataöverföringshastigheten på upp till 1 gigabit per sekund i nästa generations kommunikationssystem. Detta eftersom tekniken, känd som multiple-input multiple-output (MIMO), ger en dataöverföringshastigheten som är proportionerlig mot antalet sändar- och mottagarantenner. Den övergripande fråga som denna doktorsavhandling försöker besvara är: vilken typ av multi-antenn strukturer behöver vi i en kompakt användarterminal för att leverera ett MIMO-system med höga prestanda? Denna avhandling ger värdefulla insikter för effektiv design av multi-antenn strukturer för kompakta användarterminaler, t.ex. mobiltelefoner. I synnerhet visar våra simuleringar och experimentella resultat att man genom att kombinera olika sätt att få oberoende signaler från kommunikationskanalen (s.k. diversity mechanisms) kan använda sex sändar- och mottagarantenner och stödja upp till sex parallella dataströmmar i verkliga miljöer. Faktum är att vi har utformat, implementerat och verifierat den hittills minsta (relativt signalens våglängd) sex-antennstruktur som erbjuder en prestanda som ligger nära den teoretiska gränsen. Dessutom har en mer praktisk men lite större sex-antenn struktur, mer lämpad för integrering i kompakta enheter, också utvärderats som ett designkoncept. För att ytterligare stödja utvecklingen av multi-antenn strukturer för kompakta användarterminaler, där både kommunikationskanalen och förutsättningarna är dynamiska, undersöks i avhandlingen också möjligheten att anpassa de elektriska egenskaperna hos multi-antennstrukturer till den varierande miljön. Dessutom har det i samband med arbetet på denna avhandling upptäckts att de oftast använda presstandamåtten inte tillräckligt bra isolerar effekten av olika antennförsämringar på prestandan för MIMO-system, och heller inte visar en tydlig skillnad mellan bra och dåliga multi-antenn strukturer. Istället föreslår vi ett enkelt och intuitivt mått som klart uppfyller dessa krav. Slutligen har samverkan mellan MIMO-system inom flera sektorer av en enskild basstation utretts i ett mobilnät. Vi finner att samverkan leder till betydande prestandafördelar i sektorernas kanter, där det behövs som mest. Detta beror främst på den höga sannolikheten att de mottagna signalerna från olika sektorantenner har jämförbar amplitud, vilket tillåter MIMO-teknik att överföra flera parallella dataströmmar och på så vis öka datahastigheten.