Video-Kurzfilme: "Wireless InSite MIMO zur Visualisierung von Beamforming"...
Zur Veranschaulichung des Konzepts der MIMO-Simulationsbewertung wurde die MIMO-Fähigkeit von Wireless InSite®genutzt, um ein Small Cell-Szenario in einer dichten städtischen Umgebung in Rosslyn, Virginia, einzurichten (Abbildung 1). Die Basisstation befindet sich auf einem Pfosten auf einem Mittelstreifen an einer großen Kreuzung in einer Höhe von 10 Metern über dem Straßenniveau. Zu Vergleichszwecken 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 etwa 3.800 Flächen. Den Gebäuden und dem Gelände werden die Materialeigenschaften von Beton mit einer Leitfähigkeit von 0,484 S/m und einer Permittivität von 5,31 zugewiesen. Abbildung 2 zeigt eine Nahaufnahme der massiven MIMO-Antenne, die als ein 8x8 kreuzpolarisiertes Dipol-Array definiert ist. Das Gewinnmuster des ersten Elements wird in der Array-Ansicht angezeigt. Ein mobiles Gerät wird so definiert, dass es sich entlang einer Route durch die Stadt bewegt und sich dem Standort der Basisstation von Westen her nähert und sich dann nach Norden von ihm wegbewegt.
Abbildung 1: Rosslyn 3D-Gebäude- und Geländedaten werden für die SISO- und MIMO-Analyse in Wireless InSte eingerichtet.
Abbildung 2: Das Massive MIMO-Array mit 128 Elementen befindet sich an einem Sendepunkt mehrere Meter über dem Boden mit einem beweglichen Sendegerät im Stadtzentrum.
Wireless InSite MIMO enthält einen Array Builder, mit dem Benutzer ein MIMO-Array mit n Elementen entwerfen können. Mit diesem Tool kann der Benutzer auch einzelne Elemente des Arrays steuern, z. B. die Positionierung, das Antennendiagramm und die Drehung. Abbildung 3 zeigt das 128-Elemente-Array im Array Builder. Der Einfachheit halber wurde dieses Array mit Dipolantennen aufgebaut, die in einem Abstand von einer halben Wellenlänge platziert sind, und sowohl vertikal als auch horizontal polarisierte Elemente an jeder der 64 dargestellten Positionen angeordnet. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass die Software viele verschiedene Arten von analytischen Mustern verarbeiten kann und auch importierte Muster nutzen kann, die durch High-Fidelity-Array-Simulationen von einem Full-Wave-Solver, wie z. B. XFdtd® von Remcom, erzeugt wurden.
Abbildung 3: Das Massive MIMO-Array mit 128 Elementen wurde mit dem leistungsstarken Array Builder von Wireless InSite erstellt.
Mit den Eigenschaften des Untersuchungsgebiets in Wireless InSite können Benutzer verschiedene Aspekte der Physik- und Raytracing-Berechnungen konfigurieren und steuern. Abbildung 4 zeigt den Dialog zur Einrichtung des Studienbereichs für die Massive-MIMO-Simulation. Das Untersuchungsgebiet ist so definiert, dass das GPU-beschleunigte X3D-Strahlenmodell von Wireless InSite verwendet wird, wobei das Raytracing so definiert ist, dass es Ausbreitungspfade mit bis zu sechs Reflexionen und einer Beugung umfasst und Übertragungen auslässt, um die Berechnungen auf den Außenbereich zu beschränken.
Abbildung 4: Das Fenster "Eigenschaften des Untersuchungsgebiets" 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 liefert die vom Benutzer gewünschten Ergebnisse wie Empfangsleistung, Ausbreitungswege, Ankunfts-/Abfahrtszeit usw. Ein typisches Ergebnis der Analyse einer einzelnen Sendeantenne ist die von einem mobilen Gerät empfangene Leistung, entweder in Form einer Abdeckungskarte über ein Gebiet oder als Funktion der Entfernung entlang einer Route. Abbildung 5 zeigt eine Feldkarte, die die Abdeckung in der Nähe der Basisstation darstellt. Abbildung 6 zeigt ein Diagramm der vom mobilen Gerät entlang seiner Route empfangenen Leistung (in den Ansichten der Szene rot dargestellt). Wie in der zweiten Abbildung zu sehen ist, nimmt die Leistung entlang der Route zu, wenn sich das Mobilgerät der Basisstation nähert, und fällt ab, wenn es sich entfernt, bis es um die Ecke biegt und die Sichtlinie verlässt. Der schnelle Abfall der empfangenen Leistung entlang der Strecke ist auf Mehrwege-Interaktionen (Reflexionen und Beugungen) mit Gebäuden zurückzuführen.
Abbildung 5: Feldkarte, die die Abdeckung eines Bereichs der Szene zeigt.
Abbildung 6: Empfangsleistung des Mobilgeräts entlang der Strecke von der Basisstation mit einer einzigen Antenne
Eine weitere Ausgabe, die sowohl für Einzelantennen- als auch für MIMO-Systeme relevant ist, ist die komplexe Impulsantwort, die ein Maß für Mehrwegeffekte ist. Die komplexe Impulsantwort misst die Leistung der ankommenden Mehrwegesignale in Abhängigkeit von ihrer Ankunftszeit oder Phase. Abbildung 7 zeigt die 25 wichtigsten Ausbreitungspfade zwischen der Basisstation und dem mobilen Gerät an einem Punkt, der etwa 240 Meter entlang der Strecke liegt. Die komplexe Impulsantwort an diesem Ort für die Basisstation mit einer Antenne ist in Abbildung 8 dargestellt.
Abbildung 7: Die 25 wichtigsten Ausbreitungspfade von der Basisstation zum mobilen Gerät an einem Punkt entlang der Route.
Abbildung 8: Komplexe Impulsantwort für das mobile Gerät an der oben gezeigten Position.
Mit Wireless InSite MIMO können Benutzer die H-Matrix, die komplexe Impulsantwort und die Verzögerungsspreizung mithilfe eines Browsers für Kanaldatenergebnisse ausgeben, der in Abbildung 9 dargestellt ist. Das Bild zeigt die Einstellungen für die Darstellung der empfangenen Leistung als Funktion der Empfängeranzahl für das Rosslyn MIMO-Szenario für alle Kombinationen von Sende- und Empfangsantennenelementen im MIMO-System. Abbildung 10 zeigt die empfangene Leistung am mobilen Gerät entlang seiner Route, wobei die Ergebnisse für alle Sendeelemente überlagert werden.
Abbildung 9: Der Ergebnisbrowser "Analyze Channel Data" wurde für das Wireless InSite MIMO-Modul erstellt. Mit diesem Browser können Benutzer H-Matrix, komplexe Impulsantwort, Verzögerungsspanne und empfangene Leistung ausgeben.
Abbildung 10: Von allen 128 Sendeelementen der MIMO-Basisstation empfangene Leistung für das mobile Gerät entlang der Route.
Eines der wichtigsten Ergebnisse einer MIMO-Simulation ist die komplexe Kanalmatrix, auch H-Matrix genannt. Die H-Matrix kodiert die Mehrwegeausbreitungscharakteristiken von jedem Senderelement zu jedem Empfängerelement und wird üblicherweise für Strahlformung, Kanalkapazität und andere Analysen auf MIMO-Systemebene verwendet. Der Browser für die Kanaldatenergebnisse von Wireless InSite ermöglicht es dem Benutzer, die H-Matrix in eine CSV-Datei zu exportieren, in der durch zusätzliche Nachbearbeitungsanalysen ermittelt werden kann, wie sich der Kanalmultipath auf die Leistung des MIMO-Systems auswirken könnte.
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