Vortrag - IMST GmbH

Photonischer Maximum Directivity (MD) Beamformer für
Smart Antennas in 60 GHz Breitband Mobilfunksystemen
Andreas Kortke, Gerd Grosskopf, Randolph Eggemann, Sherko Zinal,
Bernd Kuhlow, Georges Przyrembel, Detlef Rohde, Holger Ehlers
Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik Berlin GmbH,
Einsteinufer 37, D-10587 Berlin, FRG
Tel: ++49 30 31002 317, Fax ++49 30 31002 213, e-mail: [email protected]
Einleitung
In Breitband-Mobilfunksystemen ist Beamforming eine effiziente Methode zur Anpassung
der Antennen-Richtcharakteristik an die Gegebenheiten des Übertragungskanals. Im
Sendefall wird hierdurch eine optimale Richtwirkung in die gewünschte Richtung erzielt,
während die Nullstellen der Antennencharakteristik in die Richtungen der Teilnehmer
gelegt werden, die nicht durch das Sendesignal gestört werden sollen. Mit dieser
räumlichen Filterung lassen sich die Übertragungseigenschaften des Funkkanals wesentlich
verbessern und die unerwünschte Abstrahlung in die übrige Umgebung vermindern. Bei
niedrigen Datenraten eignen sich hierfür Techniken mit Basisband-Signalverarbeitung. Für
hohe Datenraten und Frequenzen im Millimeterwellenbereich bietet dagegen die optische
Millimeterwellentechnik interessante Lösungsansätze für die Realisierung solcher
Systeme.
Optische Millimeterwellentechnik und photonisches Beamforming
Die optische Millimeterwellentechnik ermöglicht einerseits die Anpassung der
Antennencharakteristik an die jeweilige Umgebung mit Hilfe eines einzigen monolithisch
integrierten opto-elektronischen Schaltkreises, dem Beamforming-Netzwerk (OBFN) [1,2].
Andererseits werden mit dieser Technik Millimeterwellensignale mit niedrigem
Phasenrauschen und hoher Stabilität erzeugt und fasergebunden über große Distanzen zu
den Antennen übertragen [3]. Die Millimeterwellensignale z. B. im 60 GHz-Bereich
werden durch Überlagern zweier optischer Wellen (λ1, λ2) erzeugt. Diese Wellen werden
von zwei Halbleiterlasern im optischen Millimeterwellensender (OMT, Abb. 1) emittiert.
Die Laser sind phasenstarr mit einem Masterlaser gekoppelt, so dass das Phasenrauschen
beim Umsetzen in den Millimeterwellenbereich verschwindet (Modulation sideband
injection locking [3]). Eine der Wellen wird mit einem Subträger moduliert, der das zu
übertragende Datensignal (155 Mbit/s Offset Quadrature Phase Shift Keying, OQPSKFormat) enthält.
Heaters
155 Mb/s
OQPSK
@1.27GHz
PRBS
1
λ1
OMT
λ2
62.07GHz
4x
OMC
Phase
Amplitude
OBFN
Control
4
Array
antenna
MT
BER
Abb. 1: Experimenteller Aufbau zur optischen Millimeterwellenerzeugung und zum
optischen Beamforming, OMT: Optischer Millimeterwellensender, OBFN: Optisches
Beamforming Netzwerk, OMC: Optik/Millimeterwellenkonverter, MT: Mobilterminal
rel. RF-Power, dB
Das OBFN besteht aus zwei Sektionen, eine zur Amplituden- und die andere zur
Phasensteuerung. Es ist in Silica-Technik realisiert worden, Einzelheiten der Herstellung
vgl. Ref. 2. Für die Formung des Antennenfeldes müssen die Amplituden und Phasen der
einzelnen Millimeterwellensignale, die die Array-Antennenelemente speisen, individuell
gesteuert werden. Hierfür werden im OBFN die beiden Eingangssignale entsprechend der
Anzahl der zu versorgenden Antennenelemente aufgeteilt. Für die Phasensteuerung wird
der thermooptische Effekt ausgenutzt. Mit Hilfe von Heizelementen über den optischen
Wellenleitern werden die optischen Längen der einzelnen Zweige im OBFN eingestellt.
Die resultierende Phasenverschiebung überträgt sich beim Wandeln aus dem optischen in
den Millimeterwellenbereich. Nach der paarweisen Kombination der optischen Wellen
schließen sich Mach-Zehnder Interferometer an, mit denen die Amplituden eingestellt
werden. Auch hier wird der thermooptische Effekt ausgenutzt. An den Ausgängen des
OBFN befinden sich Photodioden, die das Schwebungssignal der überlagerten optischen
Wellen detektieren. Nach Verstärkung speisen die einzelnen Millimeterwellensignale die
Antennenelemente.
Experimentelle Untersuchungen
Die
Eigenschaften
des
realisierten
4-Kanal-OBFN
wurden
in
einem
60 GHz-Übertragungssystem getestet, (Daten des OBFN: Größe der Schaltkreise
2x25 mm2 und 2x30 mm2, optische Zusatzverluste: 10 dB, Heizerleistungen für 0°-360°Phasenverschiebung: ca. 860 mW, 2-20 dB-Amplitudenänderung: ca. 400 mW). Die
Parameter der Antennensignale, d.h. relativen Phasen und Amplituden der 60 GHz-Signale
wurden entsprechend der gewünschten Feldverteilung mit Hilfe der Heizelemente im
OBFN eingestellt. Die Werte für die Gewichte der 1x4 Antenne wurden mit dem
Maximum Directivity Beamformer (MD) Algorithmus [4] berechnet. Abbildung 2 zeigt
zwei Beispiele für die Feldverteilungen. Die
0
Messwerte zeigen eine recht gute Annäherung an
die berechneten Feldverteilungen. In Abbildung 3
-10
sind Ergebnisse von Fehlerratenmessungen
-20
dargestellt. Es wurden nur kurze Distanzen (0.7 m)
überbrückt, um ausschließlich die Eigenschaften
-30
des OBFN und der Array Antenne zu untersuchen
und
Einflüsse
von
Mehrwegeausbreitung
-40
-90
-60
-30
0
30
60
90
auszuschließen.
Parameter
ist
die
Azimuth, degrees
Antennenblickrichtung, wobei der Mobilempfänger
0
jeweils in die Richtung der Hauptkeule nachgeführt
wurde.
Ld: -30°,Nds: 0°, 30°, 70° vom 21.02.02
Rel. RF-Power, dB
-10
-20
-30
-40
-90
-60
Ld: -30°,Nds: -70°, 0°, 27°
-30
0
30
Azimuth, degrees
60
90
Abb. 2:
Gemessene
und
berechnete
Feldverteilungen einer 1x4 Array Antenne im
60 GHz-Bereich
oben: Blickrichtung:-30°, Nullstellen: 0°, 30°, 70°
unten: Blickrichtung:-30°, Nullstellen:-70°, 0°, 27°
Abb. 3:
Bitfehlerrate
in
Abhängigkeit
vom
SignalRauschabstand am OQPSKDemodulatoreingang,
Bitrate:155 Mbit/s, (140 Mbit/s
CMI
line
coding),
Trägerfrequenz:
62.07 GHz.
Parameter:
Position
des
Mobilempfängers und Blickrichtung der Antenne
1E-4
BER
1E-6
+/-60°
1E-8
40°
-25°
1E-10
-45°
0°
1E-12
10
12
14
16
18
20
22
SNR (dB)
Schlussfolgerung
Es wurden Experimente mit einem neuentwickelten photonischen Beamformer in einem
60 GHz-System beschrieben. Diese optoelektronische Komponente ermöglicht eine
einfache Einstellung der Parameter der Antennensignale d.h. der komplexen Werte der
Millimeterwellensignale mit denen eine Array Antenne angesteuert wird. Für die
gewünschten Feldverteilungen wurden die erforderlichen Gewichte mit dem Maximum
Directivity (MD) Beamforming Algorithmus berechnet. Die 60 GHz-Trägersignale
entstehen durch optisches Überlagern der Signale zweier Halbleiterlaser. Die
Funktionsweise dieser Methode wurde anhand von Beispielen für die Formung der
Fernfelder und mit der Übertragung von 155 Mbit/s Datensignalen demonstriert. Für eine
verbesserte räumliche Auflösung des Antennenfeldes sind Antennen mit einer größeren
Elementzahl erforderlich. Für ihre Ansteuerung werden entsprechend größere Beamformer
und weitere Optik/Millimeterwellenkonverter benötigt. Hier könnte die monolithische
Integration für eine kostengünstige Komponentenherstellung eine wichtige Rolle spielen.
Literatur
[1] Stulemeijer, J., van Vliet, F.E., Benoist, K.W., Maat, D.H.P., Smit, M.K. 1999.
Coherent Photonic Integrated Beamformer for Phased-Array Antennas. IEEE MTT-S Int.
Microwave Symp. Dig., vol. 3, pp. 1113-1116.
[2] Kuhlow, B., Przyrembel, G., Ehlers, H., Ziegler, R., Knüppel, J., Grosskopf, G.,
Eggemann, R., and Rohde, D., 2002. Silica Based Optical Beam Former in a 60 GHz
Radio-Over-Fibre System. International Zurich Seminar on Broadband Communications
2002 (IZS\'02).
[3] Braun, R.P., Grosskopf, G., Rohde, D., and Schmidt. F. 1998. Low Phase Noise
Millimeter-Wave Generation at 64 GHz and Data Transmission Using Optical Side Band
Injection Locking.,IEEE Photonics Technology Letters Vol. 10, No. 5, pp. 728-730.
[4] Kuhwald, T., Boche, H. and Bronzel, M. A New Optimum Constrained BeamformingAlgorithm for Future Mobile Communication Systems Based on CDMA. 1999, Proc.
ACTS Mobile Communications Summit '99, Sorrento (Italy), pp. 963-968.
Die Arbeiten wurden zum Teil vom BMBF und vom Land Berlin gefördert.