Video-Kurzfilme: "Wireless InSite MIMO zur Visualisierung von Beamforming"...
Der Communication Systems Analyzer von Wireless InSite ist eine Reihe von Nachbearbeitungsroutinen, die auf den High-Fidelity-MIMO-Berechnungen des X3D-Modells aufbauen, um den Systemdurchsatz und die Bitfehlerrate vorherzusagen. In diesem Beispiel werden diese Routinen verwendet, um den Durchsatz zwischen drei Small-Cell-Basisstationen mit Full Dimension (FD) MIMO-Beamforming zu Benutzergeräten (UE) zu analysieren, die sich entlang einer Route bewegen und 5G New Radio (NR) in einer dichten städtischen Umgebung nutzen.
Beschreibung des Projekts
Die Gebäude- und Laubgeometrie wurde aus einem hochauflösenden Geometrie-Shapefile für einen Abschnitt der Innenstadt von Boston, MA, importiert. Das importierte Stadtmodell, das Blattwerk und das Gelände enthalten insgesamt 6.452 Flächen. Den Gebäuden und dem Gelände wurden Betoneigenschaften mit einer Leitfähigkeit von 0,484 S/m und einer Dielektrizitätskonstante von 5,31 zugewiesen, die den ITU-Daten für Beton bei 28 GHz [1], [2] entnommen wurden, während das Laub mit Hilfe eines Modells für Laubdurchdringungsverluste von Weissberger [3] modelliert wurde.
Abbildung 1: Isometrische Ansicht und Draufsicht auf die Projektgeometrie in Wireless InSite.
Jeder Sender stellt eine Basisstation dar und verwendet ein 8x8 dual polarisiertes Patch-Array, das aus insgesamt 128 Elementen besteht. An den Empfängerstandorten entlang der Strecke werden kreuzpolarisierte isotrope Antennen verwendet. Das GPU-beschleunigte X3D-Modell von Wireless InSite wurde verwendet, um realitätsgetreue Ausbreitungsergebnisse zu erhalten, die auch Reflexionen an Gebäuden und im Gelände sowie Beugungen an Gebäudekanten berücksichtigen. Die Kombination aus hochauflösender Geometrie und originalgetreuer Ausbreitungsmodellierung ist notwendig, um genaue Ergebnisse bei 5G NR-Frequenzen zu erzielen. Das Ausbreitungsmodell berechnet die H-Matrix von jedem Element der drei Sender zu den Empfängerstandorten (128 x 2 = 256 Einträge pro tx-rx-Paar).
Analysator für Kommunikationssysteme
Der Communication Systems Analyzer von Wireless InSite bietet Funktionen zur Vorhersage von Durchsatz, Bitfehlerrate und anderen Ergebnissen von mehreren Sendern durch Nachbearbeitung der High-Fidelity-H-Matrix-Ergebnisse aus der Ausbreitungssimulation. Innerhalb eines Kommunikationssystems können die Benutzer Eingabeparameter für:
- Auswahl der in die Analyse einzubeziehenden Sender- und Empfängergruppen
- Bestimmung von Sendern als Basisstationen oder Störquellen
- Einstellung einheitlicher Lärm- und Störpegel
- Wahlweise einschließlich Interferenzen zwischen Basisstationen
- Auswahl der BER- oder Durchsatzanalyse
- Auswahl der Optionen für die Senderstrahlformung
- Einstellung der Diversity-Optionen für MIMO-Empfangsantennen
In diesem Beispiel wird ein Kommunikationssystem definiert, das die Analyse des Durchsatzes zwischen drei Basisstationen und einem UE, das sich auf einer mobilen Route bewegt, festlegt. Das Fenster mit den Eigenschaften des Kommunikationssystems definiert eine benutzerdefinierte Beamforming-Tabelle für die Basisstationen, die Verwendung von Selection Combining durch das UE und eine benutzerdefinierte Durchsatztabelle auf der Grundlage der 3GPP-Spezifikationen, die bei der Berechnung des Durchsatzes für die Verbindung verwendet werden soll.
Abbildung 2: Fenster mit den Eigenschaften des Kommunikationssystems zur Berechnung des Durchsatzes für ein MIMO-System.
Benutzerdefinierte Strahlformung mit einer Vorcodierungstabelle
Die benutzerdefinierte Vorcodierungstabelle ist eine Textdatei mit Antennenelementgewichtungen für die MIMO-Sendeantenne. Jeder Datensatz in der Datei steht für einen Strahl, den die Antennenelemente erzeugen können. In diesem Beispiel wird eine Tabelle verwendet, die 66 Antennenkeulen 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 des Endgeräts maximiert.
Kundenspezifische Durchsatzanalyse für ein 5G NR-Gerät
Der Durchsatz für das 5G NR-Gerät am Empfänger verwendet ebenfalls eine benutzerdefinierte Datei, die den SINR am Gerät auf eine erreichbare Downlink-Datenrate abbildet. Die Durchsatzwerte für diese Tabelle wurden anhand 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 den Overhead für Signalisierung und Steuerung sowie die Unterschiede zwischen Uplink- und Downlink-Übertragung berücksichtigt [4] [5]. Die Schätzungen beziehen sich auf einen einzelnen Komponententräger mit einer Bandbreite von 100 MHz und gehen von ähnlichen Beziehungen zwischen dem erreichbaren MCS und dem SINR aus, wie sie für LTE beobachtet wurden.
Ergebnisse
Diversität der Empfänger
Es wurden drei Kommunikationssysteme erstellt, um die Auswirkungen von Selection Combining, Equal Gain Combining und Maximum Ratio Combining für die 5G-NR-Nutzerausrüstung (UE) zu analysieren. Die Ergebnisse in den Abbildungen 3 und 4 zeigen, dass es in diesem Szenario und in dieser Konfiguration keinen wesentlichen Unterschied zwischen den drei Diversity-Methoden für SINR oder Durchsatz gibt. Im weiteren Verlauf dieses Beispiels wird Auswahlkombinierung für das UE und benutzerdefiniertes Beamforming an den Basisstationen verwendet.
Abbildung 3: SINR-Vergleich der Empfänger-Diversity-Methoden für Basisstation 1.
Abbildung 4: Durchsatzvergleich der Empfänger-Diversity-Methoden für Basisstation 1.
SINR und Durchsatz für benutzerdefinierte Strahlformung und Auswahlkombination
SINR- und Durchsatzergebnisse werden für jede einzelne Basisstation und für alle drei Basisstationen zusammen angegeben. In diesem Beispiel stellt die 5G NR eine Verbindung mit der Basisstation her, die den höchsten SINR-Wert liefert. Die rote Linie in den Abbildungen 5 und 6 stellt die Gesamtleistung der drei Basisstationen zum Endgerät dar, je nachdem, welche Basisstation an jedem Punkt der Strecke den höchsten SINR-Wert erreicht. Die blaue Linie stellt den Beitrag der Basisstation 1 zum SINR und zum Durchsatz dar. In den Bereichen, in denen sich die blaue und die rote Linie überschneiden, stellt der Empfänger eine Verbindung zur Basisstation 1 her. Die Beiträge der beiden anderen Basisstationen sind ebenfalls darstellbar, wurden aber aus Gründen der Übersichtlichkeit der Grafiken weggelassen.
Abbildung 5: Gesamt-SINR (rot) und SINR von Basisstation 1 zu UE (blau).
Abbildung 6: Gesamtdurchsatz (rot) und Durchsatz von Basisstation 1 zu UE (blau).
Bewertung der Beamforming-Tabelle im Vergleich zum maximalen Verhältnis der Übertragung
Das Maximum Ratio Transmission Beamforming berechnet einen optimalen Strahl für jeden Empfängerstandort. In den Abbildungen 7 und 8 werden die SINR- und Durchsatzergebnisse unter Verwendung einer benutzerdefinierten Beamforming-Tabelle (blau) mit MRT (rot) verglichen. An den meisten Standorten können die vordefinierten Strahlen aus der benutzerdefinierten Beamforming-Tabelle fast den gleichen SINR und Durchsatz wie MRT (eine optimalere, adaptive Technik) erzielen, aber es gibt Abschnitte, in denen das Hinzufügen gezielterer Strahlen die Ergebnisse verbessern würde. Zwischen 225 und 350 m entlang der Strecke sind die SINR-Werte zu niedrig, um mit beiden Beamforming-Verfahren angemessene Durchsatzwerte zu erzielen. Um die Abdeckung an dieser Stelle zu verbessern, müsste eine zusätzliche Basisstation hinzugefügt werden.
Abbildung 7: Vergleich des SINR für benutzerdefiniertes (blau) und MRT (rot) Beamforming.
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 benutzerdefiniertes Beamforming und Auswahlkombination.
Abbildung 10: Durchsatzabdeckung für benutzerdefiniertes Beamforming und Auswahlkombination.
Schlussfolgerung
Der Communication Systems Analyzer von Wireless InSite kann zur Berechnung von Durchsatz, SINR und anderen Größen auf Systemebene für realistische MIMO-Systeme verwendet werden, einschließlich Sende- und Empfangsdiversität.
Dieses Beispiel zeigt, wie eine benutzerdefinierte Beamforming-Tabelle verwendet werden kann, um das dynamische Verhalten von drei MIMO-Basisstationen in einem Abschnitt von Boston zu modellieren. Eine benutzerdefinierte Durchsatztabelle wurde verwendet, um die Downlink-Datenraten für 5G New Radio zu modellieren. Die X3D-High-Fidelity-Raytracing- und MIMO-Funktionen von Wireless InSite ermöglichten eine effiziente Berechnung von SINR und Durchsatz.
Dieses Beispiel zeigt auch, wie integrierte theoretische Beamforming- und Empfänger-Diversity-Optionen einen schnellen Vergleich der Durchsatzabdeckung durch kundenspezifische Techniken ermöglichen.
Der Communication Systems Analyzer von Remcom bietet Netzplanern und Geräteentwicklern die Werkzeuge, die sie benötigen, um den Standort von Basisstationen zu bewerten und den Durchsatz in realistischen Szenarien zu schätzen. Mit der Möglichkeit, benutzerdefiniertes Beamforming und Durchsatzraten einzubinden, haben Benutzer die Flexibilität, neue Geräte und Netzwerkkonfigurationen zu entwerfen und zu bewerten.
Referenzen:
[1] "Electrical characteristics of the surface of the earth", Empfehlung ITU-R P.527-3, 1992.
[2] "Effects of building materials and structures on radiowave propagation above about 100 MHz", Recommendation ITU-R P.2040-1, pp. 22-23, July 2015.
[3] M. Weissberger, "An Initial Critical Summary of Models for Predicting the Attenuation of Radio Waves by Trees" (Eine erste kritische Zusammenfassung von Modellen zur Vorhersage der Dämpfung von Funkwellen durch Bäume), 1982, Electromagnetic compatibility analysis center, 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 zur Berechnung des Spitzendurchsatzes auf der Grundlage der Modulationsreihenfolge und der Kodierungsrate verwendet.
[5] G. Skidmore,"Using Modeling and Simulation to Assess Challenges and Solutions for 5G Fixed Wireless Access".
