title: Antenna placement for line-of-sight MIMO communications and sensing applications
Creators: name: Palaiologos, Michail
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
subject: LoS MIMO
subject: ISAC
subject: radar
subject: mmWave
subject: antenna selection
subject: non-uniform antenna array
subject: convex optimization
subject: dynamic programming

description: Satisfying the demand for higher data rates is one of the long-standing goals of wireless communication systems. A shift towards higher frequency bands, such as millimeter wave (mmWave) and sub-THz bands, is one of the main enablers for this, due to the large amounts of available bandwidth in these bands. In addition, multiple-input multipleoutput (MIMO) technology has been one of the cornerstones of wireless communication systems, since it can also offer a tremendous increase in the capacity. However, as multi-path propagation is very limited at mmWave and sub-THz, the channel may be dominated by the line-of-sight (LoS) path only, thereby leading to rank deficient MIMO channels. Yet, as the rank of a LoS MIMO channel depends on the antenna positions and the distance between the transmitter and receiver, it has been shown that a spatial multiplexing gain can still be extracted by optimizing the antennas’ placement at the two arrays, by assuming a fixed transmit distance (i.e., the distance between the arrays’ centers) and fixed array orientations. Nonetheless, for mobile systems, where the location and orientation of the arrays is varying, it is very challenging to sustain a satisfactory performance in a LoS MIMO system deployment. Consequently, in the first part of this thesis, the goal is to investigate how the capacity of a mobile LoS MIMO can be optimized over a range of varying array locations and orientations. To this extent, different methods are proposed that focus on optimally placing the antennas at the transmit and receive arrays towards achieving a robust performance. Namely, regarding a uniform circular array (UCA)-based LoS MIMO system, a suitable array-of-subarrays is considered. By leveraging a simplified hybrid digitalanalog beamforming architecture, that is based on dynamically selecting the optimal subarray, a robust capacity is attained over a range of array locations and orientations. Furthermore, it is shown that a varying orientation (i.e., tilting) at the transmit or receive UCA can be also exploited towards extracting close to the maximum capacity at varying transmit distances for a 4 × 4 system. Then, two novel methods for jointly designing non-uniform transmit and receive arrays that comprise arrays of arbitrary geometry are presented. The proposed arrays outperform uniform and non-uniform arrays of the literature in terms of the minimum capacity over a range of varying array locations and orientations. Besides LoS MIMO communication systems, as the the shift of wireless communication systems to higher frequency bands results in an exceedingly high utilization of the spectrum by different technologies, the integration between radar and communication systems has emerged as a prominent research direction. In the second part of this thesis, integrated sensing and communication (ISAC) systems are investigated, where the focus is again on the optimal antenna placement towards improving the performance. In particular, joint antenna selection and covariance matrix optimization is considered for an array that is transmitting communication symbols to a user equipment and probing signals to several radar targets. It is shown that, by combining convex optimization with dynamic programming, the system can yield large communication capacity, while also properly focusing the transmit power towards the targets’ direction, which results in improved estimation performance. Finally, a distributed ISAC system is considered, where the transmit antennas are assumed to be widely separated. By employing a genetic algorithm, the problem of optimally selecting a subset of the active transmit antennas, towards maximizing the communication capacity and minimizing the Cram´er–Rao bound with respect to the target’s location, is efficiently solved.
description: Die Befriedigung der Nachfrage nach höheren Datenraten ist eines der langjährigen Ziele der drahtlosen Kommunikationssysteme. Eine Verlagerung hin zu höheren Frequenzbändern, wie Millimeterwellen- (mmWave) und Sub-THz-Bändern, ist aufgrund der großen verfügbaren Bandbreite in diesen Bändern eine der wichtigsten Voraussetzungen dafür. Darüber hinaus ist die Multiple-Input-Multiple-Output-Technologie (MIMO) einer der Eckpfeiler drahtloser Kommunikationssysteme, da sie auch eine enorme Kapazitätssteigerung ermöglichen kann. Da jedoch die Mehrwegeausbreitung bei mmWave und Sub-THz sehr begrenzt ist, kann der Kanal nur von der direkten Sichtverbindung (engl. line-of-sight, LoS) dominiert werden, was zu rangdefizienten MIMO-Kanälen führt. Da der Rang eines LoS-MIMO-Kanals aber von den Antennenpositionen und dem Abstand zwischen Sender und Empfänger abhängt, wurde gezeigt, dass ein räumlicher Multiplexgewinn immer noch erzielt werden kann, indem die Platzierung der Antennen an den Sende- und Empfangsgruppenantennen optimiert wird, wobei eine feste Sendedistanz (d.h. der Abstand zwischen den Gruppen-Mittelpunkten) und feste Gruppen-Ausrichtungen angenommen werden. Dennoch ist es bei mobilen Systemen, bei denen die Position und Ausrichtung der Gruppen variiert, sehr schwierig, eine zufriedenstellende Leistung bei der Bereitstellung eines LoS-MIMO-Systems zu erzielen. Daher besteht das Ziel im ersten Teil dieser Arbeit darin, zu untersuchen, wie die Kapazität eines mobilen LoS-MIMO-Systems für eine Reihe unterschiedlicher Gruppen-Standorte und -Ausrichtungen optimiert werden kann. Hierzu werden verschiedene Methoden vorgeschlagen, die sich auf die optimale Platzierung der Antennen an den Sende- und Empfangsgruppenantennen konzentrieren, um eine robuste Leistung zu erzielen. Im Hinblick auf ein LoS-MIMO-System auf Basis einer gleichförmigen zirkulären Gruppenantenne (engl. uniform circular array, UCA) wird zunächst eine geeignete Gruppenantenne aus Untergruppen (engl. array-of-subarrays) betrachtet. Durch den Einsatz einer vereinfachten hybriden digital-analogen Strahlformungsarchitektur, die auf der dynamischen Auswahl der optimalen Untergruppe basiert, wird eine robuste Kapazität über eine Reihe von Gruppen-Standorten und -Ausrichtungen erreicht. Darüber hinaus wird gezeigt, dass eine variierende Ausrichtung (d.h. Neigung) am Sende- oder Empfangs-UCA auch dazu genutzt werden kann, bei variierenden Sendeabständen nahezu die maximale Kapazität für ein 4×4-System zu extrahieren. Anschließend werden zwei neuartige Methoden zum gemeinsamen Entwurf ungleichförmiger Sende- und Empfangsgruppenantennen vorgestellt, die Gruppen beliebiger Geometrie umfassen. Die vorgeschlagenen Gruppenantennen übertreffen die in der Literatur beschriebenen gleichförmigen und ungleichförmigen Gruppenantennen hinsichtlich der Mindestkapazität über einen Bereich unterschiedlicher Gruppen-Standorte und -Ausrichtungen. Neben LoS-MIMO-Kommunikationssystemen hat sich die Integration von Radar und Kommunikationssystemen als wichtige Forschungsrichtung herausgestellt, da die Verlagerung drahtloser Kommunikationssysteme hin zu höheren Frequenzbändern zu einer außerordentlich großen Auslastung des Spektrums durch verschiedene Technologien führt. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden integrierte Sensorik- und Kommunikationssysteme (engl. integrated sensing and communication, ISAC) untersucht, wobei der Fokus wiederum auf der optimalen Antennenplatzierung zur Verbesserung der Leistung liegt. Insbesondere wird eine gemeinsame Antennenauswahl und Kovarianzmatrixoptimierung für eine Gruppenantenne betrachtet, die Kommunikationssymbole an ein mobiles Endgerät und Sondierungssignale an mehrere Radarziele sendet. Es wird gezeigt, dass das System durch die Kombination von konvexer Optimierung mit dynamischer Programmierung eine große Kommunikationskapazität erzielen kann und gleichzeitig die Sendeleistung passend in Richtung der Ziele fokussieren kann, was zu einer verbesserten Schätzleistung führt. Abschließend wird ein verteiltes ISAC-System betrachtet, bei dem angenommen wird, dass die Sendeantennen weit voneinander entfernt sind. Durch den Einsatz eines genetischen Algorithmus wird das Problem, eine Teilmenge der aktiven Sendeantennen optimal auszuwählen, um die Kommunikationskapazität zu maximieren und die Cramér-Rao-Schranke in Bezug auf den Standort des Ziels zu minimieren, effizient gelöst.