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A. Habib:
"Antenna Selection for Compact Multiple Antenna Communication Systems";
Supervisor, Reviewer: M. Rupp, C. Oestges; E389, 2012; oral examination: 06-25-2012.

Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) communications is a very promising technology for nextgeneration
wireless systems that have an increased demand for data rate, quality of service, and
bandwidth e ciency. This thesis deals with multiple polarized antennas for MIMO transmissions, an
important issue for the practical deployment of multiple antenna systems. The MIMO architecture
has the potential to dramatically improve the performance of wireless systems. Much of the focus
of research has been on uni-polarized spatial MIMO con gurations, the performance of which, is a
strong function of the inter-element spacing. Thus the current trend of miniaturization, seems to be at
odds with the implementation of spatial con gurations in portable hand held devices. In this regard,
dual-polarized and triple-polarized antennas present an attractive alternative for realizing MIMO
architectures in compact devices. Unlike spatial channels, in the presence of polarization diversity,
the sub channels of the MIMO channel matrix are not identically distributed. They di er in terms of
average received power, envelope distributions, and correlation properties.
The main drawback of the MIMO architecture is that the gain in capacity comes at a cost of
increased hardware complexity. Antenna selection is a technique by which we can alleviate this
cost. We emphasize that this strategy is all the more relevant for compact devices, which are often
constrained by complexity, power and cost. Using theoretical analysis and measurement results, this
thesis investigates the performance of antenna selection in dual-polarized and triple-polarized antennas
for MIMO transmissions.
In this thesis we combined the bene ts of compact antenna structures with antenna selection,
e ectively reducing the size of the complete user device. The reduction is both in the size of antenna
arrays and in the Radio Frequency (RF) domain. The reduction in array size is achieved by using
multi-polarized antenna systems. The reduction of complexity and size in the RF domain is achieved
by using fewer RF chains than the actual number of antenna elements available by implementing
antenna selection techniques. We analyze the performance of N-spoke arrays in terms of channel gains
and compare this with the spatial structures, with and without antenna selection. We address the
practical issue of mutual coupling and derive capacity bounds as a performance measure.
In our thesis we also incorporate many other compact antenna structures having both polarization
and pattern diversity with and without antenna selection. We then compare their performances in
terms of capacity. From two dimensional array structures we move on to three dimensional arrays
namely triple-polarized systems. We use a probabilistic approach to derive the selection gains of suchsystems with antenna selection at both ends. This is further used to calculate the outages of such
systems. Performance of such systems in terms of spatially multiplexed data and Space Time Block
Coding (STBC) data is also analyzed for various channel scenarios. Convex optimization techniques are
applied for calculating the best possible antennas selected to reduce the complexity for multi-polarized
systems.

Mehrfachantennen-Kommunikation (MIMO) ist eine sehr vielversprechende Technologie für die
nächste Generation drahtloser Übertragungssysteme, die eine erhöhte Nachfrage nach Datenrate,
Dienstqualität und Bandbreiten-Effizienz haben. Diese Arbeit beschäftigt sich mit mehrfach polarisierten
Antennen zur Signalübertragung, ein wichtiges Thema für den praktischen Einsatz von
Mehrfachantennen-Systemen. Die MIMO-Architektur hat das Potenzial, die Leistungsfähigkeit von
Funksystemen deutlich zu verbessern. Ein Schwerpunkt der Forschung hat sich auf uni-polarisierte
räumliche MIMO-Konfigurationen fokussiert, deren Leistungsfähigkeit stark vom Abstand der Einzelelemente
abhängt. Daher scheint der aktuelle Trend der Miniaturisierung im Widerspruch mit der
Umsetzung in kompakte, tragbare Handgeräte zu stehen. In diesem Zusammenhang stellen dual-polarisierte
und dreifach-polarisierte Antennen eine attraktive Alternative für die Realisierung von
kompakten MIMO-Architekturen dar. Im Gegensatz zu räumlicher Diversität sind die Unterkanäle des
MIMO Kanals bei Polarisationsdiversität nicht identisch verteilt. Sie unterscheiden sich in Bezug auf
die durchschnittliche Empfangsleistung, Verteilungsfunktion der Einhüllenden sowie ihrer Korrelationseigenschaften.
Der Hauptnachteil der MIMO-Architektur ist, dass die Erhöhung der Kapazität zum
Preis von erhöhter Hardware Komplexität kommt. Antennenauswahl ist eine Technik, mit deren Hilfe
diese Kosten verringert werden können. Wir betonen, dass diese Strategie umso relevanter für kompakte
Geräte ist, die oft durch Komplexität, Leistung und Kosten begrenzt sind. Mit der theoretischen
Analyse untersucht diese Arbeit die Leistung der Antennenauswahl in dual-polarisierte und dreifach-polarisierten
Antennen zur MIMO Übertragung. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Antennenauswahl,
wenn sie mit Mehrfach-polarisierten Antennen kombiniert wird, eine effektive Lösung geringer Komplexität darstellt, welche für die Realisierung von MIMO-Architekturen in kompakten Geräten geeignet
ist. In dieser Arbeit werden die Vorteile kompakter Antennen-Strukturen mit Antennen Auswahl
kombiniert, wodurch eine Verringerung der Größe des Endgeräts erreicht wird. Die Größenreduktion
wirkt sowohl im Antennen-Bereich als auch im RF-Schaltungsbereich. Die Größenreduktion der Antennenfelder
erreicht man durch mehrfach polarisierte Antennen, während die Schaltungsreduktion
dadurch erreicht wird, dass durch Antennenauswahl nun weniger RF-Anteile benötigt werden. Wir
analysieren die Leistungsfähigkeit von so-genannten N-Spoke Antennenanordnungen hinsichtlich der
Kanal-Gewinne und Kapazität und vergleichen diese mit räumlich verteilten Strukturen, mit und ohne
Antennenauswahl.
In unserer Arbeit betrachten wir ebenso andere kompakte Antennenstrukturen mit Polarisationseffekten
jeweils mit und ohne Antennenauswahl. Ausgehend von zweidimensionalen Antennenfeldern gehen wir auf dreidimensionale Felder mit dreifacher Polarisation über. Zur Herleitung der Auswahlgewinne
solcher Systeme verwenden wir probabilistische Ansätze, die es uns ermöglichen Ausfallwahrscheinlichkeiten
zu berechnen. Ebenso untersuchen wir die Leistungsfähigkeit im Hinblick auf räumlich
gemultiplexte Daten und blockkodierte (STBC) Daten in verschiedenen Kanal-Szenarien. Konvexe
Optimierungstechniken wurden für die optimale Auswahl eingeführt und so die Komplexität in mehrfach
polarisierten Antennenanordnungen reduziert.

LTE

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_209263.pdf

Project Head Christoph Mecklenbräuker:
Christian Doppler Lab "Funktechnologien für nachhaltige Mobilität"