5G Massive MIMO análisis de comunicaciones al aire libre

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Para demostrar el concepto de evaluación de simulación MIMO, la capacidad MIMO de Wireless InSite® se ha utilizado para establecer un escenario de celda pequeña en un entorno urbano denso en Rosslyn, Virginia (Figura 1). La estación base está colocada sobre un poste en una mediana en una intersección importante a una altura de 10 metros por encima del nivel de la calle. Con el propósito de la comparación, la estación base se ha definido con dos configuraciones alternativas: (1) una sola antena dipolo, y (2) una antena MIMO grande. Ambos utilizan una frecuencia portadora de 28 GHz.

El modelo de ciudad importado y el terreno contienen un total aproximado de 3.800 caras. A los edificios y terrenos se les asignan propiedades de materiales concretos con conductividad de 0,484 S/m y permitividad de 5,31. La figura 2 muestra un Close-up de la antena MIMO masiva, definida como una matriz de dipolos cruzados de 8x8. El patrón de ganancia del primer elemento se muestra en la vista de matriz. Un dispositivo móvil se define para moverse a lo largo de una ruta a través de la ciudad y se muestra acercándose a la ubicación de la estación base desde el oeste, y luego girando para alejarse de ella hacia el norte.

Figura 1: los datos del terreno y del edificio 3D Rosslyn se configuran para el análisis SISO y MIMO dentro de Wireless InSte.

Figura 2: la matriz MIMO Massive de 128 elementos se encuentra en un punto TX a varios pies sobre el suelo con un RX en movimiento en el área del centro.

 

Wireless InSite MIMO contiene un generador de matrices que permite a los usuarios diseñar una matriz MIMO de tamaño n-Element. Esta herramienta también ofrece a los usuarios el control sobre los elementos individuales de la matriz, como el posicionamiento, el patrón de antena y la rotación. La figura 3 muestra la matriz de 128 elementos dentro del generador de matrices. Para simplificar, esta matriz se ha construido con antenas dipolares, colocadas en espaciado de media longitud de onda y dispuestas con elementos polarizados verticalmente y polarizados horizontalmente colocados en cada una de las posiciones 64 mostradas. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el software puede manejar muchos tipos diferentes de patrones analíticos y también puede utilizar patrones importados generados por simulaciones de matriz de alta fidelidad a partir de un solucionador de onda completa, como XFdtd® de RemCom.

Figura 3: la matriz MIMO Massive de 128 elementos fue construida en el potente generador de arreglos de Wireless InSite.

 

Las propiedades del área de estudio de Wireless InSite permiten a los usuarios configurar y controlar diversos aspectos de la física y los cálculos de trazado de rayos. La figura 4 muestra el diálogo de configuración del área de estudio para la simulación MIMO masiva. El área de estudio se define para utilizar el modelo de rayos X3D acelerado por GPU de InSite inalámbrico, con trazado de rayos definido para incluir rutas de propagación con hasta seis reflexiones y una difracción, omitiendo las transmisiones para limitar los cálculos al exterior.

Figura 4: la ventana Propiedades del área de estudio proporciona al usuario el control sobre el modelo de propagación que se ejecutará y el número de interacciones

 

A continuación, se realizan simulaciones utilizando la antena única y la antena MIMO. Wireless InSite proporciona salidas solicitadas por el usuario, como la potencia recibida, los trayectos de propagación, el tiempo de llegada/salida, etc. Un resultado típico del análisis de una sola antena transmisora es la potencia recibida por un dispositivo móvil, ya sea en forma de un mapa de cobertura sobre un área o mostrada como una función de distancia a lo largo de una ruta. La figura 5 proporciona un mapa de campo que muestra la cobertura en las proximidades de la estación base. La figura 6 muestra una gráfica de la potencia recibida por el dispositivo móvil a lo largo de su ruta (mostrada en rojo en las vistas de la escena). Como se muestra en la segunda figura, la potencia aumenta a lo largo de la ruta a medida que el dispositivo móvil se aproxima a la estación base y se cae a medida que se aleja, cayendo drásticamente cuando gira la esquina y sale de la línea de visión. El desvanecimiento rápido en la potencia recibida a lo largo de la ruta se debe a interacciones multitrayecto (reflexiones y difracciones) con edificios.

Figura 5: mapa de campo que muestra la cobertura sobre un área de la escena.

Figura 6: energía recibida por el dispositivo móvil a lo largo de la ruta desde la estación base con una sola antena

 

Otra salida que es relevante para las antenas simples y los sistemas MIMO es la respuesta de impulso compleja, que es una medida de trayectoria múltiple. La respuesta de impulso compleja mide la potencia de las señales de trayecto múltiple que llegan en función de su tiempo de llegada o fase. La figura 7 muestra las 25 rutas de propagación principales entre la estación base y el dispositivo móvil en un punto de aproximadamente 240 metros a lo largo de su ruta. La respuesta de impulso compleja en esta ubicación para la estación base de una sola antena se muestra en la figura 8.

Figura 7: las 25 rutas de propagación principales de la estación base al dispositivo móvil en un punto a lo largo de su ruta.

Figura 8: respuesta compleja del impulso para el dispositivo móvil en la posición mostrada arriba.

 

Wireless InSite MIMO permite a los usuarios escribir la matriz H, la respuesta de impulso compleja y el spread de retardo mediante un navegador de resultados de datos de canal que se muestra en la figura 9. La imagen muestra los ajustes para trazar la potencia recibida como una función del número de receptor para el escenario de Rosslyn MIMO para todas las combinaciones de elementos de antena transmisora y receptora en el sistema MIMO. La figura 10 muestra la potencia recibida en el dispositivo móvil a lo largo de su ruta, sobreponiendo los resultados para todos los elementos del transmisor.

Figura 9: se creó el navegador de resultados "analizar datos de canal" para el módulo Wireless InSite MIMO. Este navegador permite a los usuarios emitir matriz H, respuesta de impulso complejo, propagación de retardo y potencia recibida.

Figura 10: potencia recibida por dispositivo móvil a lo largo de la ruta desde todos los elementos de transmisión 128 de la estación base MIMO.

 

Uno de los resultados de la salida clave de una simulación MIMO es la matriz de canal compleja o matriz H. La matriz-H codifica las características de propagación multitrayecto de cada elemento transmisor a cada elemento receptor y se utiliza habitualmente en beamforming, capacidad de canal y otros análisis de nivel de sistema MIMO. El navegador de resultados de datos de canal de Wireless InSite permite a un usuario exportar la matriz H a un archivo. csv, donde el análisis de post-procesamiento adicional puede determinar cómo el canal multipath puede afectar el rendimiento del sistema MIMO.

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