Die Millimeterwellenfrequenzen, die für 5G-Systeme geplant sind, stellen eine Herausforderung für die Kanalmodellierung dar. Bei diesen Frequenzen wirkt sich die Oberflächenrauhigkeit auf die Wellenausbreitung aus und verursacht Streuungen in nicht-spekulare Richtungen, die einen großen Einfluss auf die empfangene Signalstärke und Polarisation haben können. Um die Kanaleigenschaften für Millimeterwellenfrequenzen genau vorhersagen zu können, muss die Ausbreitungsmodellierung diffuse Streuungseffekte berücksichtigen. Die Fähigkeit von Wireless InSite, diffuse Streuung zu berücksichtigen, basiert auf der Arbeit von Degli-Esposti. Sie umfasst drei Modelle, die alternative Streumuster liefern und eine teilweise Kreuzpolarisierung der gestreuten Felder berücksichtigen. Außerdem kann der Benutzer optional die gestreuten Beiträge unter der Annahme einer kohärenten Phase summieren, so dass Phaseneffekte bei eng beieinander liegenden Antennen (z. B. MIMO) berücksichtigt werden können.
In diesem Beispiel wird die Fähigkeit von Wireless InSite zur diffusen Streuung genutzt, um ein drahtloses Netzwerk in Innenräumen zu simulieren und mit einigen in [1] beschriebenen Messungen zu vergleichen. 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 an der Decke eines großen, offenen Raums. Die Empfänger befinden sich an mehreren Stellen im Raum und auf dem Flur.
Abbildung 1: Verschiedene Positionen der Sendehornantenne, ausgerichtet auf verschiedene Empfangspunkte
Wir konzentrieren uns auf die Messungen bei 73,5 GHz in dem großen Raum, der dem Sender am nächsten ist. Der Sender wird als Hornantenne mit 15° Abstrahlwinkel und 20 dBi Gewinn modelliert, die so gedreht wird, dass sie auf jeden Empfängerstandort zeigt. Die Empfänger sind 1,5 m über dem Boden an verschiedenen Stellen angebracht, sowohl innerhalb der Sichtlinie als auch außerhalb der Sichtlinie zum Sender. Jeder Empfänger wird mit einer vertikalen und horizontalen Rundstrahlantenne mit 45° Strahlbreite modelliert.
Die diffusen Streueffekte des Fußbodens, der Trockenbauwände, der Säulen, der Aktenschränke, der Kabinentrennwände und der 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 Streufaktor S gibt den Anteil des einfallenden elektrischen Feldes an, der diffus gestreut wird. Gültige Werte reichen von 0, keine diffuse Streuung, bis 1, alle diffuse Streuung. Der Kreuzpolarisationsanteil K-xpol stellt den Anteil der diffusen Leistung dar, der relativ zur Polarisation des einfallenden Strahls kreuzpolarisiert wird. Gültige Werte reichen von 0 bis 0,5. Schließlich steuert der Parameter alpha die Form der vorwärtsstreuenden Keule. Gültige Werte sind ganze Zahlen zwischen 1 und 10, wobei 10 der schmalste Wert ist. Abbildung 2 zeigt, wie die Energie bei Verwendung des direkten diffusen Streumodells gestreut wird.
Abbildung 2: Richtlinienmodell der diffusen Streuung
Empfohlene Werte für den Streufaktor bei 60 GHz liegen zwischen 0,1 und 0,5 [2]. Tabelle 1 zeigt den Streufaktor, der für jedes der diffus streuungsfähigen Materialien in diesem Beispiel verwendet wurde. Die Materialeigenschaften von Trockenbauwänden, Beton (Boden, Decke und Säulen), Glasfenstern und Schreibtischen wurden aus [2] übernommen. Für die Trennwände der Kabinen wird angenommen, dass sie aus faserverstärktem Kunststoff (FRP) mit Wabenkern bestehen, und ihre Eigenschaften werden aus [3] extrapoliert. Bei den Aktenschränken und anderen Metallstrukturen wird davon ausgegangen, dass sie Griffe, abgeschrägte Kanten und andere Strukturen aufweisen, die zur Streuung beitragen können. Der Cross-Pol-Anteil und Alpha wurden auf den Wireless InSite-Standardwerten von 0,4 bzw. 4 belassen.
Tabelle 1: Streufaktor für verschiedene Baumaterialien
Es werden zwei Untersuchungsbereiche erstellt, um einen einfachen Vergleich der Ergebnisse der nicht-diffusen Streuung und der Ergebnisse der diffusen Streuung zu ermöglichen. Für die nicht-diffus streuenden Interaktionen sind die Einstellungen 3 Reflexionen, 1 Transmission und 1 Beugung. Für die diffus gestreuten Pfade erlauben wir 1 Reflexion, keine Transmissionen und 1 Beugung. Die Möglichkeit, Interaktionen entlang der diffus streuenden Pfade zuzulassen, ist einzigartig für Wireless InSite.
Fenster "Eigenschaften der diffusen Streuung" im X3D-Studienbereich
Um die in [1] beschriebenen Messverfahren zu wiederholen, muss die Antenne des Senders auf den vorgesehenen Empfänger ausgerichtet werden, und es werden nur die vorgesehenen, gepaarten Kanäle berücksichtigt. Zu diesem Zweck wurden sieben Sender am Standort von Sender 1 erstellt, wobei die Hornantenne jeweils so gedreht wurde, dass sie auf den vorgesehenen Empfängerstandort ausgerichtet war. Abbildung 3 zeigt die Antennenausrichtung für die Empfängerstandorte 1, 4 und 5.
Abbildung 3: Verschiedene Positionen der Sendehornantenne, ausgerichtet auf verschiedene Empfangspunkte
Am effizientesten lassen sich die ausgerichteten Paare ausführen, indem man sie auswählt und aktiviert, z. B. TX1 zu RX1, RX1 und RX1-xpol, die Simulation ausführt und dann zu TX1 zu RX2, RX2 und RX2-xpol übergeht usw. Die Durchführung der Simulationen auf diese Weise erfordert etwas mehr als eine Minute für jeden spiegelnden Fall und etwa vier Minuten für jede diffuse Streusimulation.
Die Abbildungen [4a] und [4b] zeigen die 100 stärksten Pfade zwischen dem abgestimmten TX- RX-Paar für den Empfängerstandort 7. Die roten Pfade sind die stärksten, die schwächeren Pfade sind in Grün- und Blautönen dargestellt. Die spiegelnden Pfade in Abbildung [4a] zeigen, dass die Pfade mit der höchsten Leistung typischerweise innerhalb des Hauptstrahls liegen, mit vielen Reflexionen und Übertragungen mit geringerer Leistung von und durch die Wände. Abbildung [4b] enthält Pfade mit diffus streuenden Wechselwirkungen. Man sieht die breite Streuung der Pfade, die an der Wand hinter dem Empfänger rückwärts streuen. Andere nicht-spekulare Wechselwirkungen an den Säulen und Trennwänden sind ebenfalls zu erkennen. Der Leistungsbereich dieser Pfade ist weniger dynamisch als bei den Pfaden, die nur spiegelnd sind.
Alternativ dazu zeigt die komplexe Impulsantwort (CIR) die Leistung jedes Pfads in Abhängigkeit von seiner Ankunftszeit. Die Abbildungen [5a] und [5b] zeigen die CIR für RX7, jeweils für Co-Pol und Cross-Pol. Die rein spiegelnden Ergebnisse sind in blau dargestellt, während die roten Ergebnisse diffuse Streueffekte enthalten. Die Ergebnisse der diffusen Streuung zeigen eine stärkere Verschmierung, wobei die Ankunftszeiten sehr dicht beieinander liegen, während die Ergebnisse der spiegelnden Streuung diskreter und verteilter sind.
Die relevanten Pfadverlust-Ausgabedateien für den Vergleich mit gemessenen Daten sind in Tabelle 2 aufgeführt. Eine Kopie dieser Dateien wurde im Ordner "Aligned Antennas" des Projekts gespeichert. Darüber hinaus wurden die simulierten Pfadverlustergebnisse zur einfacheren Darstellung in vier Dateien zusammengefasst: Aligned_specular_CoPol.plt, Aligned_specular_XPol.plt, Aligned_DS_CoPol.plt, und Aligned_DS_XPol.plt
Tabelle 2
Die Plot-Dateien für die in [1] vorgestellten Messergebnisse befinden sich im Messungsordner. Sie können gegen die Wireless InSite-Daten geplottet werden, indem ihre Plots importiert werden.
Die Abbildungen [6a] und [6b] unten zeigen die Wireless InSite-Vorhersagen für den Pfadverlust in Abhängigkeit von der Entfernung für die sieben Empfängerstandorte für den Fall der Co-Polarisierung (V-V) und den Fall der Kreuzpolarisierung (V-H). Die rote Linie zeigt den Pfadverlust nur für spiegelnde Pfade, und die blaue Linie stellt den Pfadverlust mit diffuser Streuung dar. Die in [1] vorgestellten Messergebnisse sind in Grün dargestellt. Diese Diagramme zeigen, dass die diffuse Streuung einen viel größeren Einfluss auf die kreuzpolarisierten Ergebnisse hat und für genaue Vorhersagen entscheidend ist.
Abbildung 6b: Kreuzpolarisierte TX/RX-Streckenverluste - Simulation mit und ohne diffuse Streuung im Vergleich zur Messung
[1] G. MacCartney, T.S. Rappaport, S. Sun, and S. Deng, "Indoor Office Wideband Millimeter-Wave Propagation Measurements and Channel Models at 28 and 73 GHz for Ultra-Dense 5G Wireless Networks," IEEE Access, Vol. 3, Dec 7, 2015, pp. 2388 - 2424
[2] Effects of building materials and structures on radiowave propagation above about 100 MHz, Recommendation ITU-R P.2040-1, July 2015.
[3] A. Von Hippel und W. B. Westphal, Tables of Dielectric Materials, Band V, Abschlussbericht, Laboratory for Insulation Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, April 1957.
[4] Degli-Esposti, V., F. Fuschini, E.M. Vitucci, and G. Falciasecca, "Measurement and Modeling of Scattering from Buildings", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 55, No. 1, January 2007, pp. 143-153.
[5] Degli-Esposti, V., "A Diffuse Scattering Model for Urban Propagation Prediction", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 49, No. 7, July 2001, pp. 1111-1113.
[6] Degli-Esposti, V., V.-M. Kolmonen, E.M. Vitucci, and 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.
[7] J. Pascual-Garcia, et. al., "On the Importance of Diffuse Scattering Model Parameterization in Indoor Wireless Channels at mm-Wave Frequencies," IEEE Access, February 8, 2016, © 2016 IEEE.