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

De store geografiske avstandene i Norge og den økonomiske betydningen av aktiviteter på sjøen i avsidesliggende områder krever nyskapende radiobaserte kommunikasjonsløsninger. Dagens maritime kommunikasjonssystemer bruker hovedsakelig VHF radio, GSM, UMTS, WLAN eller mobil Ku-band satellittsystemer. Blant problemene med disse systemene er lav båndbredde (VHF og GSM), begrenset dekning (GSM, WLAN) og høye kostnader (VSAT). For å takle ovennevnte utfordringer, fokuserer MAMIME prosjektet på forbedring av 4G LTE og WiFi basert på nyskapende forskning på 5G massiv MIMO for maritime applikasjoner. Ifølge tidligere studier er de viktigste FoU utfordringene utilstrekkelig dekning, begrenset kapasitet, sterk fading for korte TX-RX avstander og mismatch mellom antenner på grunn av den maritime radio miljøet. Det primære målet for denne MAMIME prosjektet er å overvinne de ovennevnte utfordringer ved å utforme løsninger med høy datahastighet og stor dekning for land-til-båt og båt-til-båt radiokommunikasjon, basert på 5G Massive MIMO teknikker. Den andre hovedmålet er å utvikle en hardware Massive MIMO kanalmåler som kan måle kanalimpulsresponsen i Massive MIMO scenarier. Den tredje hovedmålet er å bygge opp en ny maritim Massive MIMO kanal modell, som kan brukes for system design, ytelse evaluering og standardisering. Den fjerde hovedmålet er å oppgradere Witelcom Wi-Fi-løsninger og ZTE LTE løsninger for maritime applikasjoner. Disse innovative løsninger har potensial for Internet Service Provider (ISP) for å gi mer pålitelige tjenester, mye høyere datahastighet og større radiodekning for maritime applikasjoner. I tillegg kan FoU-resultat brukes av produsenter av utstyr til design av 5G maritime system og for radio planlegging for ISP. Dette prosjektet kan gi den første dedikerte 5G forskning for maritime applikasjoner i verden, og gir muligheten for standardisering.

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.