5G Massive MIMO Outdoor Kommunikationsanalyse für den Außenbereich

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Um das Konzept der MIMO-Simulationsbewertung zu demonstrieren, wurde die MIMO-Funktion von Wireless InSite® genutzt, um ein kleines Zellszenario in einer dichten städtischen Umgebung in Rosslyn, Virginia, aufzubauen (Abbildung 1). Die Basisstation befindet sich auf einem Pfosten auf einem Median an einer großen Kreuzung in 10 Metern Höhe über dem Straßenniveau. Zum Vergleich wurde die Basisstation mit zwei alternativen Konfigurationen definiert: (1) eine einzelne Dipolantenne und (2) eine große MIMO-Antenne. Beide verwenden eine Trägerfrequenz von 28 GHz.

Das importierte Stadtmodell und das Gelände enthalten insgesamt ca. 3.800 Flächen. Den Gebäuden und dem Gelände werden konkrete Materialeigenschaften mit einer Leitfähigkeit von 0,484 S/m und einer Permittivität von 5,31 zugewiesen. Abbildung 2 zeigt eine Nahaufnahme der massiven MIMO-Antenne, definiert als eine 8x8 kreuzpolarisierte Dipolanordnung. Das Verstärkungsmuster des ersten Elements wird in der Array-Ansicht angezeigt. Eine mobile Vorrichtung ist so definiert, dass sie sich entlang einer Route durch die Stadt bewegt, und es wird gezeigt, wie sie sich dem Standort der Basisstation von Westen her nähert und sich dann von ihr nach Norden bewegt.

Abbildung 1: Rosslyn 3D-Gebäude- und Geländedaten werden für SISO- und MIMO-Analysen innerhalb von Wireless InSte bereitgestellt.

Abbildung 2: Das 128-Elemente-Massiv-MIMO-Array befindet sich auf einem Tx-Punkt mehrere Meter über dem Boden mit einem bewegten Rx im Stadtzentrum.

 

Wireless InSite MIMO enthält einen Array Builder, mit dem Benutzer ein n-Element großes MIMO-Array entwerfen können. Dieses Tool gibt dem Benutzer auch die Kontrolle über einzelne Elemente der Anordnung wie Positionierung, Antennenmuster und Drehung. Abbildung 3 zeigt das 128-Elemente-Array innerhalb des Array-Builders. Der Einfachheit halber wurde dieses Array mit Dipolantennen aufgebaut, die im Halbwellenlängenabstand angeordnet sind und sowohl vertikal polarisierte als auch horizontal polarisierte Elemente aufweisen, die an jeder der 64 dargestellten Positionen angeordnet sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Software mit vielen verschiedenen Arten von Analysemustern umgehen kann und auch importierte Muster verwenden kann, die durch High-Fidelity-Array-Simulationen von einem Vollwellenlöser wie Remcoms XFdtd® erzeugt wurden.

Abbildung 3: Das 128-Elemente-Massiv-MIMO-Array wurde in Wireless InSite's leistungsstarkem Array-Builder erstellt.

 

Die Studienbereichseigenschaften von Wireless InSite ermöglichen es dem Benutzer, verschiedene Aspekte der Physik und der Raytracing-Berechnungen zu konfigurieren und zu steuern. Abbildung 4 zeigt den Dialog zur Einrichtung des Untersuchungsgebietes für die massive MIMO-Simulation. Das Untersuchungsgebiet ist so definiert, dass es das GPU-beschleunigte Röntgenstrahlmodell von Wireless InSite verwendet, wobei die Strahlverfolgung so definiert ist, dass sie Ausbreitungspfade mit bis zu sechs Reflexionen und einer Beugung umfasst, wobei Übertragungen weggelassen werden, um Berechnungen auf den Außenbereich zu beschränken.

Abbildung 4: Das Fenster Study Area Properties gibt dem Benutzer die Kontrolle darüber, welches Ausbreitungsmodell ausgeführt werden soll und wie viele Interaktionen es gibt.

 

Anschließend werden Simulationen mit der Einzelantenne und der MIMO-Antenne durchgeführt. Wireless InSite stellt vom Benutzer angeforderte Ausgaben wie empfangene Leistung, Ausbreitungswege, Ankunfts- und Abfahrtszeit usw. bereit. Ein typisches Ergebnis der Analyse einer einzelnen Sendeantenne ist die von einer mobilen Vorrichtung empfangene Leistung, entweder in Form einer Abdeckungskarte über einem Gebiet oder als Funktion der Entfernung entlang einer Strecke. Abbildung 5 zeigt eine Feldkarte mit der Abdeckung in der Nähe der Basisstation. Abbildung 6 zeigt eine Darstellung der vom mobilen Gerät entlang seiner Route empfangenen Leistung (rot dargestellt in den Ansichten der Szene). Wie in der zweiten Abbildung dargestellt, nimmt die Leistung entlang der Route zu, wenn sich das mobile Gerät der Basisstation nähert und fällt beim Wegfahren ab und fällt dramatisch ab, wenn es um die Ecke geht und aus der Sichtlinie geht. Das schnelle Einblenden der empfangenen Leistung entlang der Strecke ist auf Mehrwegewechselwirkungen (Reflexionen und Beugungen) mit Gebäuden zurückzuführen.

Abbildung 5: Feldkarte mit der Abdeckung über einen Bereich der Szene.

Abbildung 6: Von einer mobilen Vorrichtung empfangene Leistung entlang der Strecke von der Basisstation mit einer einzigen Antenne

 

Ein weiterer Ausgang, der sowohl für Einzelantennen als auch für MIMO-Systeme relevant ist, ist die komplexe Impulsantwort, die ein Maß für den Mehrweg ist. Die komplexe Impulsantwort misst die Leistung ankommender Mehrwegsignale in Abhängigkeit von ihrer Ankunftszeit oder Phase. Abbildung 7 zeigt die 25 wichtigsten Ausbreitungswege zwischen der Basisstation und dem mobilen Gerät an einem Punkt von etwa 240 Metern entlang der Strecke. Die komplexe Impulsantwort an dieser Stelle für die einzelne Antennenbasisstation ist in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 7: Top 25 Ausbreitungswege von der Basisstation zum mobilen Gerät an einem Punkt entlang der Route.

Abbildung 8: Komplexe Impulsantwort für ein mobiles Gerät an der oben gezeigten Position.

 

Wireless InSite MIMO ermöglicht es Benutzern, H-Matrix, komplexe Impulsantworten und Verzögerungsspreizungen mit einem Browser für Kanaldatenergebnisse zu schreiben, der in Abbildung 9 dargestellt ist. Das Bild zeigt Einstellungen für die Darstellung der empfangenen Leistung in Abhängigkeit von der Empfängernummer für das Rosslyn MIMO-Szenario für alle Kombinationen von Sende- und Empfangsantennenelementen im MIMO-System. Abbildung 10 zeigt die empfangene Leistung an der mobilen Vorrichtung entlang ihrer Route und überlagert die Ergebnisse für alle Senderelemente.

Abbildung 9: Der Ergebnisbrowser "Analyze Channel Data" wurde für das Wireless InSite MIMO-Modul erstellt. Mit diesem Browser können Benutzer H-Matrix, komplexe Impulsantworten, Verzögerungsspreizungen und empfangene Leistung ausgeben.

Abbildung 10: Leistung, die von der mobilen Vorrichtung auf dem Weg von allen 128 Sendeelementen der MIMO-Basisstation empfangen wird.

 

Eines der wichtigsten Ergebnisse einer MIMO-Simulation ist die komplexe Kanalmatrix oder H-Matrix. Die H-Matrix kodiert die Mehrwegeausbreitungseigenschaften von jedem Senderelement zu jedem Empfängerelement und wird häufig in der Strahlformung, Kanalkapazität und anderen MIMO-Systemanalysen verwendet. Der Kanaldaten-Ergebnisbrowser von Wireless InSite ermöglicht es einem Benutzer, die H-Matrix in eine.csv-Datei zu exportieren, wo zusätzliche Nachbearbeitungsanalysen ermitteln können, wie sich die Kanalmehrwege auf die Leistung des MIMO-Systems auswirken können.

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