Performance Assessment of Photonic Supported Beam Steering Techniques

Abstract

O tema desta dissertação é a avaliação da performance de técnica fotónicas para beam forming e beam steering no contexto do 5G. Comunicações em ondas milimétricas é atualmente um importante tópico de investigação devido à alta largura de banda disponível que vai permitir elevado trafego necessário paras o 5G e futuras redes. As elevadas perdas e direccionalidade que leva à necessidade de orientar o feixe são os principais desafios nos sistemas de comunicação. Para abranger uma grande área eficientemente vai ser necessária a implementação de beam forming e beam steering nas antenas. Os Phased arrays que são um agregado de antenas que permitem fazer beam forming e beam steering usando atrasos progressivos de phase nos elementos dos agregados. No entanto, os phase shifters de ondas milimétricas sofrem do fenómeno de beam squint que limita a largura de banda de operação. Este problema pode ser resolvido usando um true time delay, este assegura um atraso independente da frequência. A implementação de um true time delay no domínio electrico é de difícil implementação e dispendioso, por isso o domínio ótico torna-se mais interessante para a implementação de um true time delay. Nesta dissertação vai ser desenvolvido um true time delay ótico para substituir os phase shifters elétricos e compensar o fenómeno do beam squint. Vai ser criada uma plataforma de simulação de um sistema de comunicações onde o true time delay ótico vai ser testado, e outros sistemas podem futuramente ser testados. Nesta plataforma de simulação também vamos testar a compensação do beam squint digitalmente no recetor. Com esta tese esperamos obter um método promissor para alcnssar beam forming e beam steering com alta eficiência e baixa complexidade em sistemas de comunicação de ondas milimétricas associados ao 5G.

The topic of this dissertation is the performance evaluation of photonic supported techniques for beam forming and beam steering in the context of 5G. The operation in the Millimeter wave (mmWave) band is currently an important research topic in the communication domain motivated mainly by the amount of available bandwidth that will enable the very high bit rates sought for 5G and beyond 5G communication systems. The blockage effect, propagation loss and high directionality that needs beam alignment are the main challenges for mmWave communication links. To cover a larger area efficiently, the antennas will need to have beam steering and beam forming capabilities. Phased array antennas (PAA) that consists of an array of multiple antenna elements (AEs), enable beam steering that relies on microwave phase shifters which are used to control the phase of each AE. Microwave electrical phase shifters suffer from beam-squint problem which limits the operation bandwidth. Beam quint leads to different frequencies being steered in different directions. This problem can be solved by using true time delay lines (TTDL) which ensures a frequency-independent steering angle. However, TTDL with large bandwidth are difficult to implement in the electronic domain. Conversely, microwave photonics (MWP) where the signal processing is done relying on photonic offers large bandwidth. In this dissertation a simulation platform able to assess the effect of the Beam Squint on the performance of a wireless system was developed. The simulation platform is used to assess performance degradation due to the Beam Squint of extra-high bandwidth mm-wave links that employ Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) signals. We assess the performance of an optical tunable true time delay based on a Macht-Zenher Interferometer (MZI) to replace the electrical phase shifters and decrease the Squint Effect. The simulation platform developed is prepared to test other methods of beam squint compensation for future use. We also explored the possibility of digitally removing the Squint Effect in the receiver.