Table Of ContentTTrraacckkiinngg wwiitthh aallll--aannaalloogg
aaddaappttiivvee aanntteennnnaa aarrrraayyss
TToomm MM.. BBrruuiinnttjjeess
Membersofthegraduationcommittee:
Prof.dr.ir. P.G.M.Apers UniversityofTwente(chairmanandsecretary)
Prof.dr.ir. G.J.M.Smit UniversityofTwente(promotor)
Dr.ir. A.B.J.Kokkeler UniversityofTwente(assistantpromotor)
Dr.ir. G.Karagiannis HuaweiTechnologiesCo.Ltd.
Prof.dr.ir. F.E. vanVliet UniversityofTwente/TNO
Dr.ir. M.J.Bentum UniversityofTwente/ASTRON
Prof.dr.ir. A.M.J.Koonen EindhovenUniversityofTechnology
Prof.dr.ir. S.M.HeemstradeGroot EindhovenUniversityofTechnology
FacultyofElectricalEngineering,MathematicsandComputer
Science,ComputerArchitectureforEmbeddedSystems(CAES)
group
CTIT
CTITPh.D.ThesisSeriesNo.15-380
CentreforTelematicsandInformationTechnology
POBox217,7500AE Enschede,TheNetherlands
TheresearchinthisthesishasbeenconductedwithintheSOWICI
project(projectnumber647.000.005),whichwasfinancedbythe
NetherlandsOrganizationforScientificResearch.
Copyright©2015TomM.Bruintjes,Enschede,TheNetherlands.
ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttribution-
NonCommercial4.0InternationalLicense. Toviewacopyof
this license, visit http://creativecommons.org/licenses/
by-nc/4.0/deed.en_US.
TypesetwithLATEX,TikZandGnuplot.
PrintedbyGildeprintDrukkerijen,TheNetherlands.
ISBN 978-90-365-4006-3
ISSN 1381-3617;CTITPh.D.ThesisSeriesNo.15-380
DOI 10.3990/1.9789036540063
Tracking with all-analog
adaptive antenna arrays
Proefschrift
terverkrijgingvan
degraadvandoctoraandeUniversiteitTwente,
opgezagvanderectormagnificus,
prof.dr.H.Brinksma,
volgensbesluitvanhetCollegevoorPromoties
inhetopenbaarteverdedigen
opvrijdag18december2015om14.45uur
door
ThomasMaartenBruintjes
geborenop4juni1985
teWijkbijDuurstede
Ditproefschriftisgoedgekeurddoor:
Prof.dr.ir. G.J.M.Smit (promotor)
Dr.ir. A.B.J.Kokkeler (assistent-promotor)
Copyright©2015TomM.Bruintjes
ISBN978-90-365-4006-3
Abstract v
WirelesscommunicationsexistonthemostremotecornersoftheEarth.Evenhigh
upinthemountainsonecheckstheweatherforecastbysmartphonethesedays.
Theexpandingcapacityrequirementsofwirelessnetworkshaveledtospectrum
scarcity.Mostpeoplewill,atonepoint,haveexperiencedapoorWi-Ficonnection
becauseoftoomanyactive2.4GHzdevicesinthevicinity. Millimeterwavesare
apromisingcandidatetosolvethisproblem.Especiallyat60GHz,wherethereis
roughly(dependingonthecontinentalregulations)4–9GHzofunlicensedspec-
trumavailable.
Becauseofthehigh-speed(multiplegigabitspersecond)communicationpoten-
tialofmillimeterwaves,theyareideallysuitedtobeintegratedwithfiberoptical
networks. Inparticular,thisthesisconsidersanin-doorscenarioinwhicheach
roomofabuildingisequippedwithamm-waveradioaccesspointconnectedtoa
fiberbackbone.As60GHzdoesnotpenetratewalls,frequenciescanbereusedin
neighboringrooms.However,60GHzcarriersalsorequiretheuseofantennasthat
featurehighgainanddirectionality.Forindooruse,asteerabledishantennaisnot
desirable.Insteadanarrayofsimple(patch)antennasisemployed.Bycombining
thesignalscollectedthroughmultipleantennas,andgivingeachofthesechannels
anappropriatedelay(andamplification),constructiveanddestructiveinterference
giverisetohighgainanddirectionalityaswell.
Themobilityofwirelessdevicesdemandsthatthisbeamformingisperformedadap-
tively.Inotherwords,thebeamthatisformedbyconstructiveinterferenceneedsto
belockedontothemovingtargetstomaintainaproperconnection.Withantenna
arraysthisisaccomplishedefficientlybymeansofimposingtherightdelays,which
iscalledelectronic-oropticalsteering. Furthermore,fromacost-andenergyef-
ficiencypointofview,itisdesirabletoimplementthebeamformingnetwork(s)
entirelyintheanalogdomainandtocontroladaptivityinacentralizedmanner.
Aconsequenceofthiscombinationisthatthecombinedbeamformeroutputwill
betheonlysourceofinformationforsignalprocessing;aconsiderablelimitation
thatrequiresanovelalgorithmtotrackthepositionofthemobiledevices. This
algorithmistheprimaryobjectiveofthisthesis.
Toestimateasignal’sangleofincidence(i.e.,theangularpositionofthesource),
andtooptimizethebeamformer’soutputtothisangle, themajorityofadaptive
arrayalgorithmsoperatesonthebasisofcross-correlatingindividuallysampled
antennasignals.With(remotelycontrolled)all-analogbeamformingthisisnotan
option. Currentsolutionsrequirethattheenvironmentisscannedwithasingle
beam,whichisinefficientinacommunicationscenario.Partially,thisinefficiency
canbeexplainedbythesymmetricpiriformshapedbeamofaconventionalbeam-
former.Trackingbasedontheuseofasymmetricallyshapedbeampatternsispro-
vi posedforimprovement.Thesecondaryobjectiveofthisthesisistosynthesizethese
unconventionallyshapedbeampatterns.Synthesisreferstoemployingmathemati-
caltechniquestofinddelayandamplificationvalues,i.e.thearrayexcitations,that
yieldthespecifiedbeampatternshape.
Bothobjectivesarefirstinvestigatedinthecontextof(equispaced)linearantenna
arrays. Aclassicalanalyticapproachisadoptedforsynthesisbecauseitproduces
smoothshapes. Smoothnessisanimportantpropertyfortheenvisagedtracking
algorithm.Thereasonhereofisthatthelatterexploitsaknown(unique)relation
betweenagivenangleandthepowerofthebeamformeroutput,toestimatethean-
gleofincidence.Thisuniquerelationisachievedwitharampshapedbeampattern.
However,becausetheshapeofthebeampatternisnottheonlyfactorthatinflu-
encesreceivedpower(thinkofe.g.,pathloss),asecondshapeisintroduced.This
shapeexhibitsapowerresponsethatisindependentoftheangle(i.e.,aflatshape).
Atrackingmechanismisdevelopedinwhichtheshapesarealternated,andthecor-
rectsteeringangleisfoundinthepowerdifferencebetweenthetwobeampatterns.
ThealgorithmisshowntoworkbymeansofMonteCarlosimulations.
Toassesswhethershaped-patterntrackingisalsousefulinapracticalapplication,
variousrealizationaspectsarecovered. Firstly,modificationstothesynthesisal-
gorithmarepresentedtotakeintoaccountelectromagneticphenomenathatalter
theshapeofthebeampattern. Specialcareisgiventothenon-isotropicgainof
theindividualantennaelements. Secondly, theexcitationvaluesneededforthe
shapedpatternsareoptimizedfromarealizationperspective.Thispertainsmostly
toreductionoftherequiredchannelamplificationrange. Whenthesestepsare
performedcorrectly,realizationoftheproposedtrackingmechanismisfeasible.
Finally,aslineararraysonlyprovidedirectionalityinonedimension,theentire
shaped-patterntrackingapproachisextendedtoplanarantennaarrays.Different
arraygeometriesareconsideredfromwhichhexagonallyshapedgridstructures
appeartobethemostsuitable.Thishastodowithresilienceagainstdeformationof
thebeamshapeunderdifferentsteeringangles.Synthesizingshapedbeampatterns
forsuchanarraystructureis,however,farfromtrivial.Aprocedurebasedonthe
principleofcollapseddistributionsisemployedandtailoredtosupportasymmetry
inthespecifiedpatternshape.Theresultisasmoothasymmetricpatterngenerated
by an array with high rotational symmetry. Because of the latter, the shape of
thepatternsufferslessfromextremesteeringangles. Inaddition, thecollapsed
distributionsmethodisadirectextensionoflineararraysynthesis. Thismeans
thatitbenefitsfrommostoftheaforementionedalgorithmicimprovementsand
properties.
In conclusion, based on simulations and realization considerations, this thesis
showsthatusingshapedbeampatternscanbeanattractivemeansoftrackingwhen
thebeamformerisentirelyanalog.
Samenvatting vii
DraadlozecommunicatiekomtvoorindeversteuithoekenopAarde.Zelfshoog
indebergenwordttegenwoordigpersmartphonehetweerberichtgeraadpleegd.
De toenemende eisen voor draadloos verkeer hebben echter gezorgd voor een
frequentieschaarste.Veellezerszullenweleenstemakenhebbengehadmeteen
slechteWi-Fiverbindingomdaterteveelactieve2.4GHzapparatuurindebuurtis.
Radiogolveninhetmillimeterbereikkunnenhieruitkomstbieden.Inhetbijzonder
rondom60GHz,waareenbandvanongeveer(afhankelijkvanderegelgevingper
continent)4–9GHzligtdievrijtegebruikenis.
Omdathetgebruikvanmm-golvenuiterstbreedbandigecommunicatietoestaat
(gigabitsperseconde)zijndezebijzondergeschiktomgeïntegreerdtewordenmet
hetglasvezelnetwerk.Ditproefschriftveronderstelteenscenariowaarinelkekamer
binneneengebouwisuitgerustmeteenmm-golfaccesspoint—verbondenmethet
glasvezelnetwerk. Omdat60GHzgolvennietdoormurenheendringenkunnen
frequentiesinnaburigekamershergebruiktworden.Echter,deantennesmoeten
danbeschikkenovereenhogeopbrengstenrichtingsgevoeligheid. Voorbinnen-
gebruikiseeninstelbareschotelantennenietwenselijk. Inplaatsdaarvanwordt
eenarrayvansimpele(patch)antennesgebruikt.Doorsignalen—ontvangendoor
meerdereantennes—tecombinerenendecorresponderendekanalentevoorzien
vandejuistevertragingenversterking,wordendoorconstructieveendestructieve
interferentiedegewensteopbrengstenrichtingsgevoeligheidookverkregen.
Demobiliteitvandraadlozeapparatuurvereistadaptievebundelvorming.Datwil
zeggen,destraalverbindingdiewordtverkregend.m.v.constructieveinterferentie
moetbewegendeapparatuurkunnenvolgenomeengoedeverbindingtekunnen
waarborgen. Met antenne arrays kan dit efficiënt gerealiseerd worden door de
juistetijdsvertragingenaantebrengenopdeverschillendekanalen,watookwel
elektronischbijsturenwordtgenoemd. Vanuiteenkosten-enenergie-efficiëntie
standpuntishetwenselijkomdebundelvormingvollediginhetanalogedomein
teimplementeren,endeadaptiviteitcentraalteregelen.Diecombinatiebetekent
datenkeldegecombineerdeuitgangvandebundelvormereenbronvoorsignaal-
verwerkingis;eenbeperkingwelkedeontwikkelingvaneennieuwvolgalgoritme
vereist.Datalgoritmeishetprimairedoelvanditproefschrift.
Omdeinvalshoekvaneensignaaltebepalen,endebundelvormerdaaropafte
stemmen,bemonsterenveelalgoritmesdeidividueleantennesvoorkruiscorrelatie.
Bij centraal (op afstand) geregelde analoge bundelvorming is dat niet mogelijk.
Huidigeoplossingenvereisendatdeomgevingafgezochtwordt,watinefficiëntis
voorcommunicatiedoeleinden.Deelskandieinefficiëntieverklaardwordendoor
deconventioneelsymmetrischgevormdebundel. Terverbeteringwordtdaarom
hetgebruikvanasymmetrischgevormdebundelsvoorgesteld.Hetsecundairedoel
viii vanditproefschriftishetsynthetiserenvandergelijkebundels.Syntheseimpliceert
hetvindenvandejuistevertragingenenversterkingen,ofweldearrayexcitaties,
dieleidentotdegewenstebundelvorm.
Beidedoelenzulleneerstbestudeerdwordenvoor(equidistante)lineairearrays.
Eenanalytischemethodezaltoegepastwordenvoorsynthese.Deredendaarvoor
isdatdiemethodeinstaatisdegewenstevormmetgeringerimpelingweettebena-
deren.Dezeeigenschapisbelangrijkomdathetvolgalgoritmeisgefundeerdopeen
bekendeenuniekerelatietussengegevenhoekenhetvermogenaandeuitgangvan
debundelvormer.Deuniekerelatiewordtverkregenmeteen‘schuine’bundel.Ech-
ter,omdatdevormvandebundelniethetenigeiswaardoorhetvermogenwordt
beïnvloed(denkbijvoorbeeldaantransmissieverlies),ishetgebruikvaneentweede
vormnodig.Dezebundelheeft(doorzijnplattevorm)deeigenschapeenvermo-
genopteleverendatjuistonafhankelijkisvandehoek.Hetvolgalgoritmewerktop
basisvanhetafwisselenvandetweebovenbeschrevenvormen,waarbijdecorrecte
invalshoekbepaaldwordtdoorhetvermogensverschiltussenbeide. Dewerking
vanditprincipewordtaangetoonddoormiddelvanMonteCarlosimulaties.
Omderealiseerbaarheidvanhetprincipetebeoordelenwordeneenaantalver-
schillendeimplementatieaspecteninoverweginggenomen. Teneerstewordthet
synthesealgoritmeaangepastophetinachtnemenvanelektromagnetischefeno-
menendievaninvloedzijnopdebundelvorm. Specialeaandachtwordtdaarbij
geschonkenaandeanisotropischeopbrengstvandeindividueleantenne-elementen.
Tentweedewordendeexcitatiesgeoptimaliseerdvoorimplementatiedoeleinden.
Ditheeftvoornamelijkbetrekkingophetreducerenvandebenodigdeversterking.
Wanneerbeidestappencorrectwordenuitgevoerdzalhetvolgalgoritmeopbasis
van(asymmetrisch)gevormdebundelsgeschiktzijnvoorpraktischetoepassing.
Totslotwordtdeuitbreidingnaartweedimensionalearraysbesproken,ommeer
richtingsgevoeligheidtecreëren. Verschillendearraystructurenzijnoverwogen
waaruitblijktdateenhexagonaalroosterhetmeestgeschiktis.Ditheefttemaken
methetbehoudenvandebundelvormondergrotestuurhoeken.Hetsynthetiseren
van bundels is echter niet triviaal voor deze structuur. Een procedure op basis
vanhetcollapseddistributionsprincipewordtdaarvoorontwikkeld.Hetresultaat
iseenasymmetrischebundelgegenereerddooreenarraymeteenhogematevan
rotationelesymmetrie.Dielaatsteeigenschapkomtdevormtengoedebijextreme
stuurhoeken.Daarnaastisdeprocedureeendirecteuitbreidingopdetoegepaste
lineairesynthese,waardoordeeerderbesprokenoptimalisatieseneigenschappen
nogvantoepassingzijn.
Concluderend,metditproefschriftwordtaangetoond,doormiddelvansimulaties
enrealisatieoverwegingen,datbijanalogebundelvorminghetgebruikmakenvan
(asymmetrisch)gevormdebundelseenaantrekkelijkeoplossingkanzijnvoorhet
volgenvanmobielegebruikers.
Dankwoord ix
Ikschrijfditdankwoordalslaatsteonderdeelvanmijnproefschriften,netalsbijhet
bedwingenvandelaatstemetersopeenwillekeurigetopgraatindeAlpen,kosten
dezetweepagina’snogvenijnigveelinspanning.Enfin,dehele‘beklimming’heeft
ongeveervierjaargeduurdéneenmaandsponsoringvanhetUWVgekost. En
hoewelikhetUWVdankbaarmagzijn,isditdankwoordmeerbedoeldvoorde
liedendiedaadwerkelijkwathebbenbijgedragenaanhetresultaatdatuvoorzich
ziet.
IndeeersteplaatswilikGerard,AndréenGeorgiosbedanken. Gerardheeftmij
demogelijkgegeventepromoverenbijCAES—jekunteroverdiscussiërenmaar
mijnsinziensisdattochdemooistevakgroepdieeris—endaarbenikhemzeer
dankbaarvoor.Ikhebmogenwerkenaanhobbyprojectjesenhadtegelijkertijd(als
uitzonderingopderegel)deluxevaneenvasteplekinGerardzijnbomvolleagenda.
MijntijdbijCAEShebikdaardooralsbijzonderplezierigervaren. Vandewijze
raadvanAndréhebikveelvuldiggebruikgemaaktomtezorgendathetgeenerna
dezetweepagina’skomtenigewetenschappelijkewaardeheeft.Hetproefschriftis
erheelwatdikkervangeworden,maarikbenervanovertuigddathetdaardoor
eenstukbeterleesbaarzalzijn.Georgiosheeftmetnameindeeerstetweejaarvan
mijnpromotietrajectgeholpen.Ditheeftervoorgezorgddatikmijzelfnietdirect
hebvastgebeteninmijneigenideeën,maarookeenswatverderhebgekeken.De
overigecommissieledenwilikbedankenvoorhuninbrengnahetmanuscriptte
hebbengelezen. ZizhengandKishor,Ialsothankbothofyouforyourpleasant
cooperationintheSOWICIproject.
Voorhunindirectebijdrageaaneensuccesvolleafrondingwilikallemensendie
CAES maken wat het is bedanken voor de vier à vijf mooie jaren die ik er heb
rondgelopen.Hetgaatteveromiedereenindividueeltebedanken,maarvaneen
aantalcollega’s/vriendengaiktochdenaamnoemen.Karel,jijwaszoongeveerde
doorslaggevendefactorvoormijombijdevakgroepteblijvenhangenalsAiO.Het
geprutsmetSabrewinghebikaltijdergleukgevonden,bedanktvoorjebegeleiding
tijdensdieperiode.Christiaan,onzeonderzoeksonderwerpenlagenmijlenveruit
elkaar,maaronzeinteressesniet.Degesprekkentijdenskoffiepauzesenlunchwan-
delingen,zijhetoverdefijneredetailsvanplasmaversusLCDofoverdebeteretac-
tiekeninOperationLocker,zijnaltijdeenbijzonderwelkomeafwisselinggeweest.
Jordy, vanbegintoteindmijntrouwekamergenoot. Onzedagelijksediscussies
overdeechtbelangrijkevraagstukken(Hazet≫Snap-on,enhoeimporteerikeen
kettingzaagvan15kgzovoordeligmogelijkuitdeVS)gaikzekermissen.Ikbegin
meinmiddelsalaftevragenhoehetermet“demachine”voorstaat. Gelukkig
wasRinseeralsmede-bergliefhebber.Ondertussenzitjealgevaarlijkdichttegen
mijnhoogterecordaan, ikhoopdatwediewedloopnoglangdoorkunnenzet-
ten.Marlous,NicoleenThelmawilikgraagbedankenvoorhetuithandennemen
x vandepapiermolen(deUTblinkterinuit),maarookvoorhetorganiserenvan
meesterlijkevakgroepsuitjes.
BuitenwerktijdhebikzowelalsstudentalsAiOaardigwattijd‘verspild’inDe
RodeBar.Freark,Djurre,Bart,vanAK-47schieteninhetOostbloktotaandevaste
film-engame-sessies, ikhebhetallemaalprachtiggevonden. Bedanktvoorde
broodnodigeafleiding.Enhetmaggezegdworden:Freark,bijzondertofdatjeals
eenmans-NL-divisievanQualcommterugkomtuitdeVSvoormijnverdediging.
Totslotwilikmijnfamiliebedanken.Pa,ma,bijdezenbedankikjullieeensofficieel
vooralleondersteuningenvooreenberegezelligthuisinEpe. Daarvoortrotseer
ikgraagdeergernissenvanhetOV.Harold,“I’mseeingpredictablephasearrays”.
Te mooi om te laten liggen gezien de inhoud van dit boekje. Bedankt voor het
af en toe meedenken en het plaats willen nemen in mijn knokploeg tijdens de
verdediging. Metgenoegenzalikhetzelfdedoenbijjouwpromotieovereenjaar
(of twee). Maudy, bedankt voor het helpen met de kaft, de gebroeders Schmid
zoudenertrotsopzijngeweest.Mijndankookvooralleculinaireondersteuning
deafgelopenjaren,enjehebtjeverbazingwekkendgoedgedragenalshuisgenoot.
Tom
Enschede,november2015
Description:As 60 GHz does not penetrate walls, frequencies can be reused in neighboring rooms. However, 60 GHz carriers also require the use of antennas that feature high gain and directionality. For indoor use, a steerable dish antenna is not desirable. Instead an array of simple (patch) antennas is employed
