mmWave-Kanalmodellierung mit diffuser Streuung in einer Büroumgebung

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Die für 5G-Systeme geplanten Millimeterwellenfrequenzen stellen Herausforderungen an die Kanalmodellierung dar. Bei diesen Frequenzen beeinflusst die Oberflächenrauhigkeit die Wellenausbreitung und verursacht Streuungen in nicht-spiegelnden Richtungen, die einen großen Einfluss auf die Empfangssignalstärke und Polarisation haben können. Um die Kanaleigenschaften für Millimeterwellenfrequenzen genau vorherzusagen, muss die Ausbreitungsmodellierung diffuse Streueffekte berücksichtigen. Die diffuse Streufähigkeit von Wireless InSite basiert auf der Arbeit von Degli-Esposti. Es beinhaltet drei Modelle, die alternative Streumuster bereitstellen und eine teilweise Querpolarisation der gestreuten Felder berücksichtigen. Es ermöglicht dem Benutzer auch, optional verstreute Beiträge unter der Annahme einer kohärenten Phase zu summieren, so dass Phaseneffekte über eng beieinander liegenden Antennen (z.B. MIMO) berücksichtigt werden können.

Dieses Beispiel nutzt die diffuse Streuung von Wireless InSite, um Simulationen eines drahtlosen Innen-Netzwerks durchzuführen, und vergleicht diese mit einigen der in[1] beschriebenen Messungen. Das in Abbildung 1 dargestellte Szenario ist ein Teil des 9. Stockwerks eines Bürogebäudes, das Wände, Säulen, Fenster, Trennwände, Schreibtische und Schränke umfasst. Der Sender befindet sich in Deckenhöhe in einem großen, offenen Raum. Die Empfänger befinden sich an mehreren Stellen im Raum und im Flur.

Abbildung 1a

Abbildung 1b

Abbildung 1c

Abbildung 1d

Abbildung 1: Verschiedene Positionen der Sendehornantenne, die mit verschiedenen Empfängerpunkten ausgerichtet sind.

Wir konzentrieren uns auf die Messungen bei 73,5 GHz in dem großen Raum in der Nähe des Senders. Der Sender wird mit einem Hornantennenmuster mit 15° Strahlbreite und 20 dBi Gewinn modelliert, das an jedem Empfängerstandort punktgenau gedreht wird. Die Empfänger werden 1,5 m über dem Boden an mehreren Stellen montiert, sowohl innerhalb der Sichtlinie als auch außerhalb der Sichtlinie vom Sender aus. Jeder Empfänger ist mit einer vertikalen und horizontalen 45° Strahlbreite Rundstrahlantenne ausgestattet. 

Die diffusen Streueffekte von Boden, Trockenbauwänden, Säulen, Aktenschränken, Trennwänden und Schreibtischstützen werden mit dem in[4, 5, 6] beschriebenen Richtlinienmodell modelliert. Bei diesem Modell wird die gestreute Energie um den spiegelnden Reflexionswinkel zentriert, ohne Rückstreuung. Der Streuungsfaktor, S, stellt den Anteil des einfallenden elektrischen Feldes dar, der diffus gestreut wird. Gültige Werte reichen von 0, keine diffuse Streuung, bis 1, alle diffusen Streuungen. Der Kreuzpolarisationsanteil K-xpol stellt den Anteil der diffusen Leistung dar, der im Verhältnis zur Polarisation des einfallenden Strahls kreuzpolarisiert wird. Gültige Werte reichen von 0 bis 0,5. Schließlich steuert der Parameter alpha die Form des vorwärts streuenden Lappens. Gültige Werte sind ganze Zahlen zwischen 1 und 10, wobei 10 die schmalste ist. Abbildung 2 zeigt, wie Energie gestreut wird, wenn man das direktive diffuse Streumodell verwendet.

Abbildung 2: Direktive Diffuse Streuung Modell

Tabelle 1: Streuungsfaktor für verschiedene Baustoffe

Die empfohlenen Werte für den Streuungsfaktor bei 60 GHz liegen im Bereich von 0,1 bis 0,5[2]. Tabelle 1 zeigt den Streuungsfaktor, der in diesem Beispiel für jedes der diffus gestreuten Materialien verwendet wird. Die Materialeigenschaften für Trockenbau, Beton (Boden, Decke und Säulen), Glasfenster und Schreibtische sind aus[2] übernommen. Die Trennwände der Kabine werden als Wabenkern aus faserverstärktem Kunststoff (FRP) angenommen und ihre Eigenschaften aus[3] extrapoliert. Es wird angenommen, dass die Aktenschränke und andere Metallstrukturen Griffe, abgeschrägte Kanten und andere Strukturen aufweisen, die zur Streuung beitragen können. Die polübergreifende Fraktion und Alpha wurden bei den Standardwerten von Wireless InSite von 0,4 bzw. 4 belassen. 

Fenster Diffuse Streueigenschaften im X3D-Studienbereich

Es werden zwei Studienbereiche erstellt, um einen einfachen Vergleich von nicht-diffusen Streuergebnissen und Ergebnissen mit diffuser Streuung zu ermöglichen. Für die nicht-diffusen streuenden Wechselwirkungen sind die Einstellungen 3 Reflexionen, 1 Transmission und 1 Beugung. Für die diffus gestreuten Pfade erlauben wir 1 Reflexion, keine Transmission und 1 Beugung. Die Fähigkeit, Interaktionen entlang der diffusen Streuwege zu ermöglichen, ist einzigartig bei Wireless InSite.

Um die in[1] beschriebenen Messverfahren nachzubilden, ist es notwendig, die Antenne des Senders auf den vorgesehenen Empfänger auszurichten und nur die vorgesehenen, gepaarten Kanäle zu berücksichtigen. Dies geschah durch die Schaffung von sieben Sendern am Standort für Sender 1, von denen jeder mit der Hornantenne gedreht wurde, um sie an den vorgesehenen Empfängerstandort anzupassen. Abbildung 3 zeigt die Antennenausrichtung für die Empfängerpositionen 1, 4 und 5.

Abbildung 3: Verschiedene Positionen der Sendehornantenne, die mit verschiedenen Empfängerpunkten ausgerichtet sind.

Die ausgerichteten Paare werden am effizientesten ausgeführt, indem man sie auswählt und aktiviert; z.B. TX1 bis RX1, RX1 und RX1-xpol, führt die Simulation durch und geht dann weiter zu TX1 bis RX2, RX2 und RX2-xpol, etc. Die Durchführung der Simulationen auf diese Weise erfordert etwas mehr als eine Minute für jeden Glanzfall und etwa vier Minuten für jede diffuse Streusimulation.
 
Die Figuren[4a] und[4b] zeigen die 100 wichtigsten Pfade zwischen dem angepassten TX- RX-Paar für den Empfängerstandort 7. Die roten Pfade sind die stärksten, während die schwächeren Pfade in Grün und Blau dargestellt werden. Die Spiegelpfade in Abbildung[4a] zeigen, dass die höchsten Leistungspfade typischerweise innerhalb des Hauptstrahls liegen, mit vielen weniger starken Reflexionen und Übertragungen von und durch die Wände. Abbildung[4b] enthält Pfade mit diffus streuenden Wechselwirkungen. Man kann die weite Verbreitung der Pfade sehen, die sich hinter dem Empfänger von der Wand nach hinten verstreuen. Andere nicht-spiegelnde Wechselwirkungen außerhalb der Säulen und Trennwände sind ebenfalls ersichtlich. Der Leistungsbereich dieser Pfade ist weniger dynamisch als bei den reinen Spiegelpfaden.

Abbildung 4a: Spiegel-Ausbreitungspfade zu RX7

Abbildung 4b: Pfade mit diffuser Streuung zu RX7

Alternativ zeigt die Complex Impulse Response (CIR) die Leistung jedes Pfades in Abhängigkeit von seiner Ankunftszeit an. Die Figuren[5a] und[5b] zeigen die CIR für RX7, für Co-Pol und Cross-Pol. Die reinen Spiegelergebnisse werden blau dargestellt, während die roten Ergebnisse diffuse Streueffekte beinhalten. Die diffusen Streuungsergebnisse zeigen mehr Verschmierungen, wobei die Ankunftszeiten sehr eng beieinander liegen, während die spiegelnden Ergebnisse diskreter und verstreut sind. 

Abbildung 5a: Co-polarisierte komplexe Impulsantwort für RX7 mit und ohne diffuse Streuung

Abbildung 5b: Kreuzpolarisierte komplexe Impulsantwort für RX7 mit und ohne diffuse Streuung

Die relevanten Pfadverlustausgabedateien zum Vergleich mit Messdaten sind in Tabelle 2 aufgeführt. Eine Kopie davon wurde im Ordner Aligned Antennas innerhalb des Projekts gespeichert. Darüber hinaus wurden die simulierten Pfadverlustergebnisse in vier Dateien zusammengefasst, um die Darstellung zu vereinfachen: Ausgerichtet_Spiegel_CoPol.plt, Ausgerichtet_Spiegel_XPol.plt, Ausgerichtet_DS_CoPol.plt und Ausgerichtet_DS_XPol.plt

Tabelle 2

Plotdateien für die in[1] dargestellten Messergebnisse befinden sich im Messordner. Sie können gegen die Wireless InSite-Daten gezeichnet werden, indem ihre Diagramme importiert werden.

 Die folgenden Abbildungen[6a] und[6b] zeigen Wireless InSite Vorhersagen für Pfadverluste über die Entfernung für die sieben Empfängerstandorte für das co-polarisierte (V-V) Gehäuse und das cross-polarisierte (V-H) Gehäuse. Die rote Linie zeigt den Wegverlust nur für spiegelnde Pfade, die blaue Linie stellt den Wegverlust mit diffuser Streuung dar, die in[1] dargestellten Messergebnisse sind grün dargestellt. Diese Diagramme zeigen, dass die diffuse Streuung einen viel größeren Einfluss auf die kreuzpolarisierten Ergebnisse hat und für die Bereitstellung genauer Vorhersagen entscheidend ist.

Abbildung 6a: Co-polarisierter TX/RX Wegverlust - Simulation mit und ohne diffuse Streuung im Vergleich zu gemessenen

Abbildung 6b: Kreuzpolarisierter TX/RX Wegverlust - Simulation mit und ohne diffuse Streuung im Vergleich zu gemessenen

 

1] G. MacCartney, T.S. Rappaport, S. Sun und S. Deng, "Indoor Office Breitband-Millimeter-Wellenausbreitungsmessungen und Kanalmodelle bei 28 und 73 GHz für ultra-dichte 5G-Wireless-Netzwerke", IEEE Access, Vol. 3, Dec 7, 2015, S. 2388 - 2424

2] Auswirkungen von Baustoffen und Bauwerken auf die Funkwellenausbreitung oberhalb von etwa 100 MHz, Empfehlung ITU-R P.2040-1, Juli 2015.

A. Von Hippel und W. B. Westphal, Tabellen der dielektrischen Materialien, Band V, Abschlussbericht, Labor für Isolationsforschung, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, April 1957.

4] Degli-Esposti, V., F. Fuschini, E.M. Vitucci und G. Falciasecca, "Messung und Modellierung der Streuung von Gebäuden", IEEE-Transaktionen auf Antennen und Ausbreitung, Vol. 55, Nr. 1, Januar 2007, S. 143-153.

[5] Degli-Esposti, V., "A Diffuse Scattering Model for Urban Propagation Prediction", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 49, No. 7, Juli 2001, S. 1111-1113.

[6] Degli-Esposti, V., V., V.-M. Kolmonen, E.M. Vitucci und P. Vainikainen, "Analysis and Modeling on co- and Cross-Polarized Urban Radio Propagation for Dual-Polarized MIMO Wireless Systems", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 59, No. 11, November 2011, pp. 4247-4256.

J. Pascual-Garcia, et. al., "Über die Bedeutung der Parametrisierung von diffus streuenden Modellen in Indoor-Funkkanälen bei mm-Wellenfrequenzen", IEEE Access, 8. Februar 2016, © 2016 IEEE.