LTE, WIFI and 5G Massive MIMO Communications in Maritime Propagation Environments

Norges enorme geografiske avstander og den økonomiske betydningen av aktiviteter til sjøs i avsidesliggende områder krever nye og innovative radiobaserte løsninger. Imidlertid bruker nåværende maritime kommunikasjonssystemer hovedsakelig VHF-radio, GSM, UMTS, WLAN eller mobile Ku-band satellittsystemer. Disse systemene kan lide av lav båndbredde (VHF og GSM), begrenset dekning (GSM, WLAN) eller høye kostnader (VSAT). For å takle utfordringene ovenfor fokuserer dette MAMIME-prosjektet på forbedring av 4G LTE og WiFi og den innovative forskningen til 5G massiv MIMO for maritime applikasjoner. I henhold til de tidligere FoU-resultatene, er de viktigste FoU-utfordringene utilstrekkelig dekning, begrenset kapasitet, sterk bane-tap blekner på korte TX-RX avstander og antennefeil, på grunn av de maritime radioutbredelsesmiljøene. For å overvinne de ovennevnte utfordringene, er hovedmålet med dette MAMIME-prosjektet å designe en løsning med høy datahastighet og lang dekning for land-til-båt og båt-til-båt-radiokommunikasjon, ved å bruke 5G Massive MIMO-ordninger. Det andre hovedmålet er å utvikle en maskinvare Massive MIMO kanalolder som kan måle kanalimpulsrespons for Massive MIMO scenarier. Det tredje hovedmålet er å bygge opp en ny maritim Massive MIMO-kanalmodell, som kan brukes til systemdesign, ytelsesevaluering og standardisering. Det fjerde hovedmålet er å oppgradere Wi-Fi-løsninger og LTE-løsninger for maritime applikasjoner. Disse innovative løsningene har potensial for at Internet Service Provider (ISP) kan tilby mer pålitelig og mye høyere datarate med større radiodekning for de maritime applikasjonene. I tillegg kan FoU-resultatene brukes til 5G maritime systemdesign for produsentene og henholdsvis plan for radiodekning for ISP. Dette prosjektet kan være den første dedikerte 5G-forskningen for maritime applikasjoner over hele verden og mulig å standardiseres. I 2017 er en massiv lydstyrke for MIMO-kanaler blitt oppdatert for 128 av 8 oppsett. Verdens største MIMO-serie med 128 elementer er designet for maritim radiokanalmåling. Det er utført en målekampanje for radiokanaler ved bruk av autonome skip i Trondheimfjord. I 2018 er en egen pre-5G-stasjon blitt installert av Telia og en feltprøve er utført ved bruk av en seilbåt i Oslofjord. I tillegg er designet av et nytt dobbeltpolarisert massivt MIMO-antenneanlegg og et bredbåndantenneelement blitt designet. Den andre massive MIMIO-kanalmåling ble utført i Trondheimfjord.  I 2019 er den massive MIMO-kanalens lydolje blitt oppdatert for flere frekvensbånd, og den tredje massive MIMO-kanalmålingene med autonom båt blir utført. I tillegg ble det produsert et nytt dobbeltpolarisert massivt MIMO-antenneanlegg, og integrasjonsdesignet med kanalsolder er ferdigstilt. En prototype for brukerterminal er designet og testet i oslofjorden. Fra 2017 til 2020 er dataanalysen kontinuerlig gjort og verdifull kanalinformasjon er trukket ut og forsket på. MAMIME-prosjektet, regnet som verdens første maritime 5G-prosjekt, ble mye rapportert i internasjonale og nasjonale medier som Nasdaq, Bloomberg, Top 5G-blogg, hellenicshippingnews, Futureiot etc. I tillegg ble MAMIME-forskerteamene invitert til forhåndsinnstilling i topp internasjonalt konferanser som 5G-verdenen, Asia Pacific maritime 2020, Autonomous ship technology symposium 2020, Asia Pacific mikrobølgekonferanse 2019, EuCAP 2017-2020, ICMASS 2017-2020, etc.

17 SCI journals and 15 EI conference papers in total. In WP1, a dedicated maritime massive MIMO technology was proposed, which has the potential to provide up to 50-70 km coverage and very high throughput. In WP2, a very large and a dual-band dual-polarized massive MIMO antenna array have been designed. The SISO channel sounder has been upgraded to a massive MIMO channel sounder for multiple frequency ranges, which can be used for the commercialization and research. In WP3, three massive MIMO channel measurement campaigns and two pre-5G tests have been conducted in the Trondheim fjord and oslo fjord, respectively. In WP4, a maritime terminal prototype has been designed and tested, which shows much better performance than the current products and can be commercialized in future. In all, MAMIME has successfully gained plenty of interests and attentions all over the world and the outcomes can play an important role in ocean digitalization and autonomous shipping.

Norway's vast geographic distances and the economic importance of activities at sea in remote areas demand novel and innovative radio-based solutions. However, current maritime communication systems are mainly using VHF radio, GSM, UMTS, WLAN or mobile Ku-band satellite systems. These systems may suffer from low bandwidth (VHF and GSM), limited coverage (GSM,WLAN) or high cost (VSAT). To cope with above challenges, this project focuses on the enhancement of 4G LTE and the innovative research of 5G massive MIMO for maritime applications. According to the R&D results of the previous MarCom project funded by the NFR MarOFF program and WiFi measurement over sea, four following main R&D challenges are found: 1. Insufficient coverage due to the earth curvature. 2. Limited capacity due to highly-correlated radio propagation environment (line-of-Sight scenario). 3. Reflections from sea surface and interference, which results in strong path-loss fadings (>20 dB) at short TX-RX distances. 4. Antenna mismatch due to the boat movement (> 20 dB power loss). To overcome the above challenges, this project idea consists of 4 major research domains: 1. Design a Massive MIMO solution for maritime communications. 2. Design and development of a Massive MIMO channel sounder. 3. Development of a Massive MIMO channel model for maritime application. 4. Development of a dedicated antenna system for LTE and Wi-Fi systems. These innovative solutions have the potential for Internet Service Provider (ISP) to provide more reliable and much higher data-rate service with larger radio coverage for the maritime applications. In addition, the R&D results can be used for 5G maritime system designs for the manufactures and radio coverage planning for the ISP, respectively. This project can be the first dedicated 5G research for maritime applications all over the world and possible to be standardized.