Durchsatz eines 5G neuen Funksystems FD-MIMO in einem Stadtgebiet mit kundenspezifischer Strahlformung

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Der Wireless InSite Communication Systems Analyzer ist eine Reihe von Post-Processing-Routinen, die auf der Grundlage von Die High-Fidelity des X3D-Modells MIMO-Berechnungen zur Vorhersage des Systemdurchsatzes und der Bitfehlerrate. Dieses Beispiel verwendet diese Routinen, um den Durchsatz zwischen drei kleinzelligen Basisstationen zu analysieren, die Full Dimension (FD) MIMO-Beamforming für Benutzergeräte (UE) verwenden, die sich entlang einer Strecke bewegen und 5G New Radio (NR) in einer dichten städtischen Umgebung verwenden.

Projektbeschreibung

Die Gebäude- und Laubgeometrie wurde aus einem hochauflösenden Shapefile der Geometrie für einen Abschnitt der Innenstadt von Boston, MA, importiert. Das importierte Stadtmodell, das Laub und das Gelände enthalten insgesamt 6.452 Flächen. Den Gebäuden und dem Gelände werden konkrete Materialeigenschaften mit einer Leitfähigkeit von 0,484 S/m und einer Permittivität von 5,31 aus ITU-Daten für Beton bei 28 GHz[1],[2] zugewiesen, während das Laub mit einem Laubdurchdringungsverlustmodell von Weissberger[3] modelliert wird.

Abbildung 1: Isometrische und Overhead-Ansicht der Projektgeometrie in Wireless InSite.

Jeder Sender stellt eine Basisstation dar und verwendet ein 8x8 dual polarisiertes Patch-Array, das aus insgesamt 128 Elementen besteht. Kreuzpolarisierte isotrope Antennen werden an den Empfängerstandorten entlang der Strecke eingesetzt. Drahtlose InSite's Das GPU-beschleunigte X3D-Modell wurde verwendet, um hochpräzise Ausbreitungsergebnisse zu liefern, die Reflexionen von Gebäuden und Gelände sowie Beugungen von Gebäudekanten beinhalten. Die Kombination aus hochauflösender Geometrie und hochgenauer Ausbreitungsmodellierung ist notwendig, um genaue Ergebnisse bei 5G NR-Frequenzen zu erzielen. Das Ausbreitungsmodell berechnet die H-Matrix aus jedem Element der drei Sender zu den Empfängerstandorten (128 x 2 = 256 Einträge pro tx-rx Paar).

Analysator für Kommunikationssysteme

Der Analysator für Kommunikationssysteme von Wireless InSite bietet Funktionen zur Vorhersage von Durchsatz, Bitfehlerrate und anderen Ausgaben von mehreren Sendern durch Nachbearbeitung der hochgenauen H-Matrix-Ergebnisse aus der Ausbreitungssimulation. Innerhalb eines Kommunikationssystems können Benutzer Eingabeparameter für:

  • Auswahl von Sender- und Empfängersätzen, die in die Analyse einbezogen werden sollen.

  • Benennung von Sendern als Basisstationen oder Störquellen

  • Einstellung einheitlicher Rausch- und Störpegel

  • Optional mit Interferenzen zwischen den Basisstationen

  • Auswahl von BER oder Durchsatzanalyse

  • Auswahl der Senderstrahlformungsoptionen

  • Einstellen von Diversitätsoptionen für MIMO-Empfangsantennen

In diesem Beispiel wird ein Kommunikationssystem definiert, das die Analyse des Durchsatzes zwischen drei Basisstationen und einer UE, die auf einer mobilen Route unterwegs ist, spezifiziert. Das Fenster mit den Eigenschaften des Kommunikationssystems definiert eine benutzerdefinierte Beamforming-Tabelle für die Basisstationen, die Verwendung der Auswahlkombination durch die UE und eine benutzerdefinierte Durchsatztabelle basierend auf 3GPP-Spezifikationen, die bei der Berechnung des Durchsatzes für die Verbindung verwendet werden soll.

 

Abbildung 2: Fenster für die Eigenschaften des Kommunikationssystems zur Berechnung des Durchsatzes für ein MIMO-System.

 

Kundenspezifische Strahlformung mit einer Vorcodierungstabelle

Die benutzerdefinierte Vorcodierungstabelle ist eine Textdatei mit Antennenelementgewichten für die sendende MIMO-Antenne. Jeder Datensatz in der Datei repräsentiert einen Strahl, den die Antennenelemente erzeugen können. Dieses Beispiel verwendet eine Tabelle, die 66 Antennenstrahlen beschreibt, die es dem Sender ermöglichen, horizontal von -50 bis 50 Grad und vertikal von -10 bis +40 Grad in 10-Grad-Schritten zu scannen, indem er die Phase jedes Antennenelements variiert. Die Basisstationen wählen den Antennenstrahl aus, der die Leistung am Empfänger für jede Position der UE maximiert.

Kundenspezifische Durchsatzanalyse für ein 5G NR-Gerät

Der Durchsatz für das 5G NR-Gerät am Empfänger verwendet ebenfalls eine benutzerdefinierte Datei, indem SINR am Gerät auf eine erreichbare Downlink-Datenrate abgebildet wird. Die Durchsatzwerte für diese Tabelle wurden mit der in 3GPP TS 38.306 v15.2 veröffentlichten Gleichung berechnet, die die Datenraten für 5G NR für jedes potenzielle Modulations- und Kodierungsschema (MCS) berechnet und die Gemeinkosten für Signalisierung und Steuerung sowie die Unterschiede zwischen Uplink- und Downlinkübertragung berücksichtigt[4][5]. Die Schätzungen beziehen sich auf einen Einkomponententräger mit einer Bandbreite von 100 MHz und unterstellten ähnliche Beziehungen zwischen dem erreichbaren MCS und dem SINR, wie sie für LTE beobachtet wurden.

Ergebnisse

Empfänger-Diversität

Drei Kommunikationssysteme wurden entwickelt, um die Auswirkungen der Auswahlkombination, der Kombination gleicher Verstärkung und der Kombination maximaler Verhältnisse für die 5G NR-Benutzerausrüstung (UE) zu analysieren. Die Ergebnisse in den Abbildungen 3 und 4 zeigen, dass es in diesem Szenario und dieser Konfiguration keinen wesentlichen Unterschied zwischen den drei Diversitätsmethoden für SINR oder Durchsatz gibt. Der Rest dieses Beispiels verwendet die Auswahlkombination für die UE und die kundenspezifische Strahlformung an den Basisstationen.

Abbildung 3: SINR-Vergleich von Empfänger-Diversitätsverfahren für die Basisstation 1.

Abbildung 4: Durchsatzvergleich von Empfänger-Diversitätsverfahren für Basisstation 1.

SINR und Durchsatz für kundenspezifische Strahlformung und Auswahlkombination

SINR- und Durchsatzergebnisse werden für jede einzelne Basisstation und für alle drei zusammenarbeitenden Basisstationen bereitgestellt. In diesem Beispiel stellt das 5G NR eine Verbindung mit der Basisstation her, die den höchsten SINR-Wert liefert. Die rote Linie in den Figuren 5 und 6 stellt die Gesamtleistung der drei Basisstationen zur UE dar, entsprechend der Basisstation, die an jedem Punkt entlang der Strecke den höchsten SINR erreicht. Die blaue Linie stellt den Beitrag der Basisstation 1 zum SINR und zum Durchsatz dar. In Bereichen, in denen sich die blauen und roten Linien überschneiden, stellt der Empfänger eine Verbindung zur Basisstation 1 her. Die Beiträge der beiden anderen Basisstationen sind ebenfalls plottierbar, wurden aber zur besseren Übersichtlichkeit der Diagramme weggelassen.

Abbildung 5: Gesamt-SINR (rot) und SINR von Basisstation 1 bis UE (blau).

Abbildung 6: Gesamtdurchsatz (rot) und Durchsatz von Basisstation 1 nach UE (blau).

Bewertung des Strahlformungstisches im Vergleich zur maximalen Übersetzungsverhältnisübertragung

Maximum Ratio Transmission Beamforming berechnet einen optimalen Strahl zu jedem Empfängerstandort. In den Figuren 7 und 8 werden die SINR- und Durchsatzergebnisse mit einer benutzerdefinierten Strahlformungstabelle (blau) mit MRT (rot) verglichen. An den meisten Stellen können die vordefinierten Strahlen aus dem benutzerdefinierten Beamforming-Tisch nahezu den gleichen SINR und Durchsatz wie MRT (eine optimalere, adaptivere Technik) erreichen, aber es gibt Abschnitte, in denen das Hinzufügen von gezielteren Strahlen die Ergebnisse verbessern würde. Zwischen 225 und 350 m entlang der Strecke sind die SINR-Werte zu niedrig, um mit beiden Strahlformungsverfahren ausreichende Durchsatzwerte zu ermöglichen. Um die Abdeckung an diesem Standort zu verbessern, wäre es notwendig, eine zusätzliche Basisstation hinzuzufügen.

Abbildung 7: Vergleich von SINR für Custom (blau) und MRT (rot) Strahlformung.

Abbildung 7: Vergleich von SINR für Custom (blau) und MRT (rot) Strahlformung.

Abbildung 8: Vergleich des Durchsatzes entlang der UE-Route von allen drei Basisstationen für MRT (rot) und Custom Beamforming (blau).

Abbildung 9: SINR-Abdeckung für kundenspezifische Strahlformung und Auswahlkombination.

Abbildung 10: Durchsatzabdeckung für kundenspezifische Strahlformung und Auswahlkombination.

Fazit

Drahtlose InSite's Analysator für Kommunikationssysteme kann verwendet werden, um Durchsatz, SINR und andere Systemebenengrößen für realistische MIMO-Systeme zu berechnen, einschließlich Sende-Strahlformung und Empfängerdiversität.

Dieses Beispiel zeigt, wie mit einem benutzerdefinierten Beamforming-Tisch das dynamische Verhalten von drei MIMO-Basisstationen in einem Abschnitt von Boston modelliert werden kann. Eine benutzerdefinierte Durchsatztabelle wurde verwendet, um Downlink-Datenraten für 5G New Radio zu modellieren. Wireless InSite's X3D High-Fidelity Raytracing mit hoher Genauigkeit und MIMO-Funktionen ermöglichten eine effiziente Berechnung von SINR und Durchsatz.

Dieses Beispiel zeigt auch, wie integrierte theoretische Strahlformungs- und Empfängerdiversitätsoptionen einen schnellen Vergleich der Durchsatzabdeckung durch kundenspezifische Techniken ermöglichen.

Der Remcom Communication Systems Analyzer bietet Netzwerkplanern und Geräteentwicklern die notwendigen Werkzeuge, um den Standort der Basisstation zu ermitteln und den Durchsatz in realistischen Szenarien zu schätzen. Durch die Möglichkeit, kundenspezifische Strahlformungs- und Durchsatzraten zu integrieren, haben Anwender die Flexibilität, neue Geräte- und Netzwerkkonfigurationen zu entwerfen und zu bewerten.

Referenzen:

1] "Elektrische Eigenschaften der Erdoberfläche", Empfehlung ITU-R S.527-3, 1992.

2] "Auswirkungen von Baustoffen und Bauwerken auf die Funkwellenausbreitung oberhalb von etwa 100 MHz", Empfehlung ITU-R S.2040-1, S. 22-23, Juli 2015.

M. Weissberger, "Eine erste kritische Zusammenfassung von Modellen zur Vorhersage der Dämpfung von Funkwellen durch Bäume", 1982, Analysezentrum für Elektromagnetische Verträglichkeit, Annapolis, Maryland. Abschlussbericht. https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a118343.pdf

[4] 3GPP TS 38.306 V15.2.0 [10] für 5G NR wurde verwendet, um den maximalen Durchsatz basierend auf der Modulationsordnung und der Codierrate zu berechnen.

[5] G. Skidmore, "Mit Hilfe von Modellierung und Simulation Herausforderungen und Lösungen für den 5G Fixed Wireless Access bewerten."