Large aperture antenna arrays with subband delay compensation for reception of wideband satellite signals

Con esta disertación se pretenden resolver algunos de los problemas encontrados actualmente en la recepción de señales de satélites bajo dos escenarios particularmente exigentes: comunicaciones de Espacio Profundo y en banda Ka. Las comunicaciones con sondas de Espacio Profundo necesitan grandes aperturas en tierra para poder incrementar la velocidad de datos. La opción de usar antennas con diámetro mayor de 35 metros tiene serios problemas, pues antenas tan grandes son caras de mantener, difíciles de apuntar, pueden tener largos tiempo de reparación y además tienen una efeciencia decreciente a medida que se utilizan bandas más altas. Soluciones basadas en agrupaciones de antenas de menor tamaño (12 ó 35 metros) son mas ecónomicas y factibles técnicamente. Las comunicaciones en banda Ka tambien pueden beneficiarse de la combinación de múltiples antennas. Las antenas de menor tamaño son más fáciles de apuntar y además tienen un campo de visión mayor. Además, las técnicas de diversidad espacial pueden ser reemplazadas por una combinación de antenas para así incrementar el margen del enlace. La combinación de antenas muy alejadas sobre grandes anchos de banda, bien por recibir una señal de banda ancha o múltiples de banda estrecha, es complicada técnicamente. En esta disertación se demostrará que el uso de conformador de haz en el dominio de la frecuencia puede ayudar a relajar los requisitos de calibración y, al mismo tiempo, proporcionar un mayor campo de visión y mayores capacidades de ecualización. Para llevar esto a cabo, el trabajo ha girado en torno a tres aspectos fundamentales. El primero es la investigación bibliográfica del trabajo existente en este campo. El segundo es el modelado matemático del proceso de combinación y el desarrollo de nuevos algoritmos de estimación de fase y retardo. Y el tercero es la propuesta de nuevas aplicaciones en las que usar estas técnicas. La investigación bibliográfica se centra principalmente en los capítulos 1, 2, 4 y 5. El capítulo 1 da una breve introducción a la teoría de combinación de antenas de gran apertura. En este capítulo, los principales campos de aplicación son descritos y además se establece la necesidad de compensar retardos en subbandas. La teoría de bancos de filtros se expone en el capítulo 2; se selecciona y simula un banco de filtros modulado uniformemente con fase lineal. Las propiedades de convergencia de varios filtros adaptativos se muestran en el capítulo 4. Y finalmente, las técnicas de estimación de retardo son estudiadas y resumidas en el capítulo 5. Desde el punto de vista matemático, las principales contribución de esta disertación han sido: • Sección 3.1.4. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en pasos discretos en frecuencia intermedia. • Sección 3.2. Modelo matemático de un conformador de haz en subbandas. • Sección 3.2.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz en subbandas con un buffer de retardo grueso. • Sección 3.2.4. Análisis de la influencia de los alias internos en la compensación en subbandas de retardo y fase. • Sección 3.2.4.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en subbandas. • Sección 3.2.6. Cálculo de la ganancia de relación señal a ruido de la agrupación de antenas en cada una de las subbandas. • Sección 3.3.2. Modelado de la función de transferencia de la agrupación de antenas bajo errores de estimación de retardo. • Sección 3.3.3. Modelado de los efectos de derivas de fase y retardo entre actualizaciones de las estimaciones. • Sección 3.4. Cálculo de la directividad de la agrupación de antenas con y sin compensación de retardos en subbandas. • Sección 5.2.6. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase y el retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos estacionarios. • Sección 5.5.1. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase, el retardo y la deriva de retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos no estacionarios. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de estas técnicas son descritas en el capítulo 7: • Sección 6.2. Agrupaciones de antenas para comunicaciones de Espacio Profundo con capacidad multihaz y sin requisitos de calibración geométrica o de retardo de grupo. • Sección 6.2.6. Combinación en banda ancha de antenas con separaciones de miles de kilómetros, para recepción de sondas de espacio profundo. • Secciones 6.4 and 6.3. Combinación de estaciones remotas en banda Ka en escenarios de diversidad espacial, para recepción de satélites LEO o GEO. • Sección 6.3. Recepción de satélites GEO colocados con arrays de antenas multihaz. Las publicaciones a las que ha dado lugar esta tesis son las siguientes • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. En esta pulicación se resumen los resultados de las secciones 3.2, 3.2.2, 3.3.2, los algoritmos en las secciones 5.2.6, 5.5.1 y la aplicación destacada en 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. En esta segunda se muestran los resultados de la sección 3.2.4, el algoritmo en la sección 5.2.6.1 , y la aplicación mostrada en 6.3. ABSTRACT This dissertation is an attempt to solve some of the problems found nowadays in the reception of satellite signals under two particular challenging scenarios: Deep Space and Ka-band communications. Deep Space communications require from larger apertures on ground in order to increase the data rate. The option of using single dishes with diameters larger than 35 meters has severe drawbacks. Such antennas are expensive to maintain, prone to long downtimes, difficult to point and have a degraded performance in high frequency bands. The array solution, either with 12 meter or 35 meter antennas is deemed to be the most economically and technically feasible solution. Ka-band communications can also benefit from antenna arraying technology. The smaller aperture antennas that make up the array are easier to point and have a wider field of view allowing multiple simultaneous beams. Besides, site diversity techniques can be replaced by pure combination in order to increase link margin. Combination of far away antennas over a large bandwidth, either because a wideband signal or multiple narrowband signals are received, is a demanding task. This dissertation will show that the use of frequency domain beamformers with subband delay compensation can help to ease calibration requirements and, at the same time, provide with a wider field of view and enhanced equalization capabilities. In order to do so, the work has been focused on three main aspects. The first one is the bibliographic research of previous work on this subject. The second one is the mathematical modeling of the array combination process and the development of new phase/delay estimation algorithms. And the third one is the proposal of new applications in which these techniques can be used. Bibliographic research is mainly done in chapters 1, 2, 4 and 5. Chapter 1 gives a brief introduction to previous work in the field of large aperture antenna arraying. In this chapter, the main fields of application are described and the need for subband delay compensation is established. Filter bank theory is shown in chapter 2; a linear phase uniform modulated filter bank is selected and simulated under diverse conditions. The convergence properties of several adaptive filters are shown in chapter 4. Finally, delay estimation techniques are studied and summarized in chapter 5. From a mathematical point of view, the main contributions of this dissertation have been: • Section 3.1.4. Calculation of beam squint of an IF beamformer with delay compensation at discrete time steps. • Section 3.2. Establishment of a mathematical model of a subband beamformer. • Section 3.2.2. Calculation of beam squint in a subband beamformer with a coarse delay buffer. • Section 3.2.4. Analysis of the influence of internal aliasing on phase and delay subband compensation. • Section 3.2.4.2. Calculation of beam squint of a beamformer with subband delay compensation. • Section 3.2.6. Calculation of the array SNR gain at each of the subbands. • Section 3.3.2. Modeling of the transfer function of an array subject to delay estimation errors. • Section 3.3.3. Modeling of the effects of phase and delay drifts between estimation updates. • Section 3.4. Calculation of array directivity with and without subband delay compensation. • Section 5.2.6. Development of an algorithm to estimate relative delay and phase between two signals from their subband decomposition in stationary environments. • Section 5.5.1. Development of an algorithm to estimate relative delay rate, delay and phase between two signals from their subband decomposition in non stationary environments. The applications that can benefit from these techniques are described in chapter 7: • Section 6.2. Arrays of antennas for Deep Space communications with multibeam capacity and without geometric or group delay calibration requirement. • Section 6.2.6. Wideband antenna arraying over long distances, in the range of thousands of kilometers, for reception of Deep Space probes. • Sections 6.4 y 6.3. Combination of remote stations in Ka-band site diversity scenarios for reception of LEO or GEO satellites. • Section 6.3. Reception of GEO collocated satellites with multibeam antenna arrays. The publications that have been made from the work in this dissertation are • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. This article shows the results in sections 3.2, 3.2.2, 3.3.2, the algorithms in sections 5.2.6, 5.5.1 and the application in section 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. This second article shows among others the results in section 3.2.4, the algorithm in section 5.2.6.1 , and the application in section 6.3.

Analysis and design of reconfigurable multimode multiport microstrip antennas for mimo systems and diversity schemes

Las comunicaciones inalámbricas han transformado profundamente la forma en la que la gente se comunica en el día a día y es, sin lugar a dudas, una de las tecnologías de nuestro tiempo que más rápidamente evoluciona. Este rápido crecimiento implica retos enormes en la tecnología subyacente, debido y entre otros motivos, a la gran demanda de capacidad de los nuevos servicios inalámbricos. Los sistemas Multiple Input Multiple Output (MIMO) han despertado mucho interés como medio de mejorar el rendimiento global del sistema, satisfaciendo de este modo y en cierta medida los nuevo requisitos exigidos. De hecho, el papel relevante de esta tecnología en los actuales esfuerzos de estandarización internacionales pone de manifiesto esta utilidad. Los sistemas MIMO sacan provecho de los grados de libertad espaciales, disponibles a través del entorno multitrayecto, para mejorar el rendimiento de la comunicación con una destacable eficiencia espectral. Con el fin de alcanzar esta mejora en el rendimiento, la diversidad espacial y por diagrama han sido empleadas tradicionalmente para reducir la correlación entre los elementos radiantes, ya que una correlación baja es condición necesaria, si bien no suficiente, para dicha mejora. Tomando como referencia, o punto de partida, las técnicas empleadas para obtener diversidad por diagrama, esta tesis doctoral surge de la búsqueda de la obtención de diversidad por diagrama y/o multiplexación espacial a través del comportamiento multimodal de la antena microstrip, proponiendo para ello un modelo cuasi analítico original para el análisis y diseño de antenas microstrip multipuerto, multimodo y reconfigurables. Este novedoso enfoque en este campo, en vez de recurrir a simulaciones de onda completa por medio de herramientas comerciales tal y como se emplea en las publicaciones existentes, reduce significativamente el esfuerzo global de análisis y diseño, en este último caso por medio de guías de diseño generales. Con el fin de lograr el objetivo planteado y después de una revisión de los principales conceptos de los sistemas MIMO que se emplearán más adelante, se fija la atención en encontrar, implementar y verificar la corrección y exactitud de un modelo analítico que sirva de base sobre la cual añadir las mejoras necesarias para obtener las características buscadas del modelo cuasi analítico propuesto. Posteriormente y partiendo del modelo analítico base seleccionado, se exploran en profundidad y en diferentes entornos multitrayecto, las posibilidades en cuanto a rendimiento se refiere de diversidad por diagrama y multiplexación espacial, proporcionadas por el comportamiento multimodal de las antenas parche microstrip sin cargar. Puesto que cada modo de la cavidad tiene su propia frecuencia de resonancia, es necesario encontrar formas de desplazar la frecuencia de resonancia de cada modo empleado para ubicarlas en la misma banda de frecuencia, manteniendo cada modo al mismo tiempo tan independiente como sea posible. Este objetivo puede lograrse cargando adecuadamente la cavidad con cargas reactivas, o alterando la geometría del parche radiante. Por consiguiente, la atención en este punto se fija en el diseño, implementación y verificación de un modelo cuasi analítico para el análisis de antenas parche microstrip multipuerto, multimodo y cargadas que permita llevar a cabo la tarea indicada, el cuál es una de las contribuciones principales de esta tesis doctoral. Finalmente y basándose en el conocimiento adquirido a través del modelo cuasi analítico, se proporcionan y aplican guías generales para el diseño de antenas microstrip multipuerto, multimodo y reconfigurables para sistemas MIMO, con el fin de mejorar su diversidad por diagrama y/o su capacidad por medio del comportamiento multimodal de las antenas parche microstrip. Se debe destacar que el trabajo presentado en esta tesis doctoral ha dado lugar a una publicación en una revista técnica internacional de un alto factor de impacto. De igual manera, el trabajo también ha sido presentado en algunas de las más importantes conferencias internacionales en el ámbito de las antenas ABSTRACT Wireless communications have deeply transformed the way people communicate on daily basis and it is undoubtedly one of the most rapidly evolving technologies of our time. This fast growing behaviour involves huge challenges on the bearing technology, due to and among others reasons, the high demanding capacity of new wireless services. MIMO systems have given rise to considerable interest as a means to enhance the overall system performance, thus satisfying somehow the new demanding requirements. Indeed, the significant role of this technology on current international standardization efforts, highlights this usefulness. MIMO systems make profit from the spatial degrees of freedom available through the multipath scenario to improve the communication performance with a remarkable spectral efficiency. In order to achieve this performance improvement, spatial and pattern diversity have been traditionally used to decrease the correlation between antenna elements, as low correlation is a necessary but not sufficient condition. Taking as a reference, or starting point, the techniques used to achieve pattern diversity, this Philosophiae Doctor (Ph.D.) arises from the pursuit of obtaining pattern diversity and/or spatial multiplexing capabilities through the multimode microstrip behaviour, thus proposing a novel quasi analytical model for the analysis and design of reconfigurable multimode multiport microstrip antennas. This innovative approach on this field, instead of resorting to full-wave simulations through commercial tools as done in the available publications, significantly reduces the overall analysis and design effort, in this last case through comprehensive design guidelines. In order to achieve this goal and after a review of the main concepts of MIMO systems which will be followed used, the spotlight is fixed on finding, implementing and verifying the correctness and accuracy of a base quasi analytical model over which add the necessary enhancements to obtain the sought features of the quasi analytical model proposed. Afterwards and starting from the base quasi analytical model selected, the pattern diversity and spatial multiplexing performance capabilities provided by the multimode behaviour of unloaded microstrip patch antennas under different multipath environments are fully explored. As each cavity mode has its own resonant frequency, it is required to find ways to displace the resonant frequency of each used mode to place them at the same frequency band while keeping each mode as independent as possible. This objective can be accomplished with an appropriate loading of the cavity with reactive loads, or through the alteration of the geometry of the radiation patch. Thus, the focus is set at this point on the design, implementation and verification of a quasi analytical model for the analysis of loaded multimode multiport microstrip patch antennas to carry out the aforementioned task, which is one of the main contributions of this Ph.D. Finally and based on the knowledge acquired through the quasi analytical model, comprehensive guidelines to design reconfigurable multimode MIMO microstrip antennas to improve the spatial multiplexing and/or diversity system performance by means of the multimode microstrip patch antenna behaviour are given and applied. It shall be highlighted that the work presented in this Ph.D. has given rise to a publication in an international technical journal of high impact factor. Moreover, the work has also been presented at some of the most important international conferences in antenna area.

Investigations into diversity of A 2x2 MIMO system with the use of an indoor testbed

This paper presents investigations into an indoor 2×2 multiple input multiple output (MIMO) system, whose diversity performance is assessed using a high precision test-bed. In this system, transmitter and receiver are equipped with 180° or 90° 3dB hybrids with their two output ports terminated with co-polar monopole antennas. By feeding a signal to one of the two input ports of the hybrid (while the other input port is matched terminated) different communication channels in a rich-scattering environment can be created. The test-bed allows for the signal strength measurements around the receiver/ transmitter sides for a given feeding configuration of hybrids when the receiver is moved over a circular region in an indoor environment. The signal strengths maps obtained for various modes of this 2×2 MIMO system are foundations for investigating transmit/receive diversity schemes. As the signal strength measurement results are obtained with Bluetooth modules operating in the ISM 2.4 GHz, the results are of importance to many other wireless systems that aim at utilizing MIMO diversity schemes to enhance their performance in this frequency band.

Secure Transmission in Spectrum Sharing MIMO Networks with Generalized Antenna Selection over Nakagami-m Channels

In this paper, we investigate the secrecy outage performance of spectrum sharing multiple-input multiple-output networks using generalized transmit antenna selection with maximal ratio combining over Nakagami-m channels. In particular, the outdated channel state information is considered at the process of antenna selection due to feedback delay. Considering a practical passive eavesdropper scenario, we derive the exact and asymptotic closed-form expressions of secrecy outage probability, which enable us to evaluate the secrecy performance with high efficiency and present a new design insight into the impact of key parameters on the secrecy performance. In addition, the analytical results demonstrate that the achievable secrecy diversity order is only determined by the parameters of the secondary network, while other parameters related to primary or eavesdropper’s channels have a significantly impact on the secrecy coding gain. 

Physical Layer Security with Threshold-Based Multiuser Scheduling in Multi-antenna Wireless Networks

In this paper, we consider a multiuser downlink wiretap network consisting of one base station (BS) equipped with AA antennas, NB single-antenna legitimate users, and NE single-antenna eavesdroppers over Nakagami-m fading channels. In particular, we introduce a joint secure transmission scheme that adopts transmit antenna selection (TAS) at the BS and explores threshold-based selection diversity (tSD) scheduling over legitimate users to achieve a good secrecy performance while maintaining low implementation complexity. More specifically, in an effort to quantify the secrecy performance of the considered system, two practical scenarios are investigated, i.e., Scenario I: the eavesdropper’s channel state information (CSI) is unavailable at the BS, and Scenario II: the eavesdropper’s CSI is available at the BS. For Scenario I, novel exact closed-form expressions of the secrecy outage probability are derived, which are valid for general networks with an arbitrary number of legitimate users, antenna configurations, number of eavesdroppers, and the switched threshold. For Scenario II, we take into account the ergodic secrecy rate as the principle performance metric, and derive novel closed-form expressions of the exact ergodic secrecy rate. Additionally, we also provide simple and asymptotic expressions for secrecy outage probability and ergodic secrecy rate under two distinct cases, i.e., Case I: the legitimate user is located close to the BS, and Case II: both the legitimate user and eavesdropper are located close to the BS. Our important findings reveal that the secrecy diversity order is AAmA and the slope of secrecy rate is one under Case I, while the secrecy diversity order and the slope of secrecy rate collapse to zero under Case II, where the secrecy performance floor occurs. Finally, when the switched threshold is carefully selected, the considered scheduling scheme outperforms other well known existing schemes in terms of the secrecy performance and complexity tradeoff