Design and analysis approaches to compact directional antennas for cognitive radio

Murtaza, Noman

Cognitive radio (CR) ist eine neuartige Technologie, die es erlaubt die spektralen Funkressourcen intelligent und effektiv zu nutzen. Jüngste Messkampagnen beweisen, dass die zugewiesenen Frequenzbänder der lizenzierenden Benutzer nicht effizient genutzt werden. Außerdem benötigen moderne Funktechnologien mehr Spektrum, um wachsenden DatenÃijbertragungsrate- und Quality-of- Service-Anforderungen gerecht zu werden. Cognitive radio erlaubt die Sekundärnutzung von nicht vollständig genutzten Frequenzbereichen, wobei die Primärnutzung durch Lizenzinhaber nicht gestört werden darf.Seit der ersten Erwähnung von Cognitive radio im Jahr 1999 lag der Fokus auf Frequenz- bzw. spektralen Ressourcen. Allerdings ist dies für die Anforderungen von zukunftsweisenden Funktechnologien nicht ausreichend. Eine Kombination aus der Betrachtung von Frequenz, Raum/Richtung und Zeit ermöglicht eine noch effizientere Nutzung des Funkspektrums. Dabei kommen Technologien wie beispielsweise die Schätzung der Empfangsrichtung und die Interferenzunterdrückung zum Einsatz. In dieser Arbeit werden Methoden des Entwurfs und der Analyse von direktiven Multibandantennen zur Bereitstellung richtungs- und frequenzabhängiger Funktionalitäten vorgestellt. Dies geschieht mit Hilfe orthogonal angeordneter Multibandantennen und mit kompakten Multibandantennenarrays.Die entworfenen Antennen wurden mit Hilfe von Simulationen, Messungen und durch die Emulation von channel-sounder-Messungen analysiert. Als Referenzantennensystem dient eine konzentrische Anordnung aus Monopolantennenarrays und Absorberplatten zwischen den Antennenelementen. Dieses Referenzantennensystem wurde für die Durchführung von Machbarkeitsstudien in Messkampagnen eingesetzt. Mit einem aus neun Elementen bestehenden Array können entsprechend neun Freiheitsgrade erzielt werden. Diese setzen sich aus drei wählbaren Frequenzbändern (GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, und IEEE 802.11b/g) und drei Richtungen pro Frequenzband zusammen. Das Referenzantennensystem ist in der Lage, Frequenzbänder und Signaleinfallsrichtungen mit einem Signal-zu-Interferenz-Verhältnis von 20 dB unter den reflexionsarmen Bedingungen in einer Absorberkammer aufzulösen. Für das Band des GSM 1800 wurde eine Feldmessung in der Umgebung von vier Basisstationen durchgeführt.Das spektrale Sensing erfolgte nach dem Prinzip der Leistungsdetektion. Möglichkeiten zur richtungsselektiven Kommunikation konnten in einer Vielzahl von GSM-Kanälen für ca. 50 % der Beobachtungszeit detektiert werden. Durch die Reduzierung der Zwischenelementabstände konnte eine kompakte Antenne des konzentrischen Antennenarrays konstruiert werden. Dies führt zu einer gegenseitigen Verkopplung der Antennenelemente und damit zu einer Beeinflussung der Stromverteilung und schließlich der Antennenrichtdiagramme. Um diese Effekte zu minimieren, wurde ein multibandfähiges Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk entworfen, welches die Entkopplung und Anpassung der Antennenelemente mit Modenspezifischen Lasten ermöglicht. Die Rekonfigurierbarkeit in jedem Frequenzband wird durch kapazitive Justierung mit Hilfe von Varaktordioden erreicht. Das multibandfähige Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk und das rekonfigurierbare Netzwerk für GSM 900 wurden auf einer Leiterplatte realisiert und im Hinblick auf Entkopplung, Anpassung, und Strahlungsdiagramme der Ports getestet. Die 10 dB-Bandbreite für Anpassung und Entkopplung der statischen Netzwerke ist ca. 30 MHz. Das rekonfigurierbare Netzwerk stellt eine Bandbreite von mehr als 100 MHz bereit, die mit insgesamt 5 Stufen erreicht wird.Die Richtdiagramme waren in verschiedenen Richtungen mit einem Korrelationskoeffizient kleiner als 30 % orthogonal, und in verschiedenen Frequenzbereichen mit einer Korrelation besser als 70 % selbstähnlich. Schließlich wurde das Verhalten von Richtantennen in heterogenen Ausbreitungsszenarien durch Simulation und Emulation untersucht. Dies beinhalteten Kanalmodelle für Simulation von statischen Szenarien und vorhandenen channel-sounder-Messungen zur Emulation der Mobilitätsszenarien. Verschiedene gemessene und analytisch bestimmte Richtdiagramme wurden verwendet, um die Verfügbarkeit von richtungsabhängigen Kommunikationsressourcen für Cognitive radio zu untersuchen.Simulationen mit analytischen Richtdiagrammen von uniform zirkularer Arrays zeigten, dass die Empfangssignalstärke über die Einfallsrichtungen proportional zum Nebenkeulenpegel der direktiven Richtdiagramme ist. Ein Nebenkeulenpegelvon 20 dB eines Antennenarrays mit 6 Elementen wurde als Optimum gefunden. Die richtungsabhängigen Sendemöglichkeiten von ca. 50 % wurden mit einem Sensing-Schwellwert kleiner -120 dB für mobile Szenarien ermittelt. Die Verfügbarkeit richtungsabhängiger Ressourcen ist abhängig von dem Schwellwert des gewählten Algorithmus für das spektrale Sensing.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sorgfältig konstruierte direktive Antennen die Existenz richtungsabhängiger Ressourcen für Cognitive radio aufspüren können. Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerke für kompakte Antennenarrays können mittels kommerziell verfügbaren konzentrierten Bauelementen mit engen Toleranzen hergestellt werden. Die Rekonfigurierbarkeit solcher Netzwerke kann mittels Varaktordioden erreicht werden. Richtungsabhängige Kommunikation ist mit den vorgeschlagenen Antennen sowohl in statischen als auch mobilen Szenarien möglich.

Cognitive radio is an emerging radio technology, promising intelligent and effective use of spectrum resources. State-of-the-art measurement campaigns show that the allocated spectrum is not efficiently used by the licensed users. On the other hand, future radio technologies require more spectrum to meet high capacity and quality of service requirements. Cognitive radio proposes secondary usage of the under-utilised spectrum resources while preserving the access-rights of the licensed (primary) users.Since the introduction of cognitive radio, in 1999, the focus of cognitive radio communications has been on frequency resources. However, frequency resourcealone may not be sufficient to fulfil the needs of future communication systems. A combination of frequency, space/direction, and time can ensure a more efficient use of the spectrum, by employing techniques like direction-of-arrival estimation, interference mitigation, etcetera. Approaches to design and analyse compact multi-band directional antennas, required to support directional as well as frequency resources, are proposed in this thesis. Design of such antennas was accomplished with orthogonal arrangement of multi-band antennas, and with compact multi-band antenna arrays. Analysis of directional antennas was carried out with simulations, measurement campaigns, and emulation of channel sounder measurements. A concentric arrangement of monopole antenna arrays was used as a reference antenna system, where directional patterns were obtained using metallic/absorber walls between antenna elements. This reference antenna system was used to perform proof-of-principle measurement campaigns. With an antenna array of nine elements, nine degrees-of-freedom (frequency-directional resources) were obtained at the antenna ports. These consist of three selectable frequency bands, namely GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, and IEEE 802.11b/g, and three directions per frequency band. The reference antenna system was capable of separating frequency and directions with a signal-to-interference-ratio of 20 dB, inside an anechoic chamber. An outdoor measurement of such an antenna system was carried out for GSM 1800 MHz, at a location surrounded by four base-stations. Power detection was used as the spectrum sensing algorithm. The opportunity to communicate in a certain direction using the occupied frequency channels was observed for about 50 % of the sensing time for various GSM channels.This concentric arrangement was made compact by reducing the inter-element spacing. The reduction of inter-element spacing results in mutual coupling between the antenna elements, which disturbs the current distribution and hence the beam patterns of the antenna arrays. To reduce this negative effect, a multiband decoupling and matching network was designed to mitigate the element coupling and to match the elements with mode-specific loads. Reconfigurable networks were designed with the help of the capacitive tuning of varactor diodes. The multi-band decoupling and matching network, and the reconfigurable network for GSM 900 MHz were manufactured on a printed circuit board, and tested in terms of decoupling, matching, and resulting port beam patterns. The 10 dB bandwidth for matching and decoupling by the fixed network, for compact antenna arrangement with an inter-element spacing of lambda/6, was about 30 MHz. Reconfigurable network provided a bandwidth above 100 MHz, achievable with five reconfigurable states. The patterns were orthogonal in different directions with correlation coefficients less than 30 % and self-similar at different frequency bands with a correlation better than 70 %.Finally, the behaviour of directional antennas under heterogeneous propagation scenarios was studied using simulation and emulation. This involved channel models for statistical simulation of static scenarios, and existing channel sounder measurements for emulation of mobility scenarios. Various measured and analytical beam patterns were used to study the availability of directional communications resources for cognitive radio. Simulations with analytical patterns of uniform circular arrays indicated that the received signal strength is directly proportional to the side-lobe level of the directional patterns. A side-lobe level of 20 dB, achievable with an array of 6 elements, was found to be optimum. The opportunity to communicate in certain directions using the occupied frequency channels (directional opportunity) was obtained for 50% of the total snapshots for a threshold level lower than -120 dB, in mobility scenarios. The availability of directional resources was dependent on the threshold level chosen for the spectrum sensing algorithm.It is concluded that well-designed directional antennas can identify the existence of directional resources for cognitive radio communications. Exploitation of unexplored antenna strategies for cognitive radio empowers a cognitive node with significant additional degrees-of-freedom. However, angular distribution of multipath, mobility of primary or secondary user, and speed of detection influence the usability of directional resources for cognitive radio. Decoupling and matching networks for compact arrays can be fabricated with off-the-shelf lumped elements with tight tolerances. Such networks can be made reconfigurable using varactor diodes. The work presented in the thesis is expected to facilitate the design of future directional antennas for cognitive radios resulting in more efficient utilisation of the spectrum.

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Murtaza, Noman: Design and analysis approaches to compact directional antennas for cognitive radio. 2015.

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