Modelado de canal 5G mmWave con dispersión difusa en un entorno de oficina

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Las frecuencias de onda milimétrica que se planean para sistemas 5G plantean desafíos para el modelado de canales. En estas frecuencias, la rugosidad superficial impacta la propagación de ondas, causando dispersión en direcciones no especulares que pueden tener un gran efecto en la intensidad de la señal recibida y la polarización. Para predecir con precisión las características del canal para frecuencias de onda milimétrica, el modelado de propagación debe tener en cuenta los efectos de dispersión difuso. La capacidad de dispersión difusa de Wireless InSite se basa en el trabajo de degli-Esposti. Incluye tres modelos que proporcionan patrones de dispersión alternativos y tienen en cuenta la polarización cruzada parcial de los campos dispersos. También permite al usuario sumar opcionalmente las contribuciones dispersas asumiendo una fase coherente, de modo que se puedan contabilizar los efectos de fase sobre antenas estrechamente espaciadas (p. ej., MIMO).

Este ejemplo utiliza la capacidad de dispersión difusa de Wireless InSite para realizar simulaciones de una red inalámbrica interior y se compara con algunas mediciones detalladas en [1]. El escenario, que se muestra en la figura 1, es una porción de la 9ª planta de un edificio de oficinas, que incluye muros, pilares, ventanas, tabiques, escritorios y gabinetes. El transmisor está situado en el nivel del techo en una habitación grande y abierta. Los receptores se encuentran en varios puntos de la habitación y en el pasillo.

Figura 1A

Figura 1B

Figura 1C

Figura 1D

Figura 1: varias posiciones de transmisión de la antena de bocina alineadas con varios puntos receptores

Nos centramos en las mediciones realizadas a 73,5 GHz en la sala grande más cercana al transmisor. El transmisor se modela utilizando un patrón de antena de cuerno con ancho de haz de 15 ° y ganancia de 20 dBi que se gira para apuntar a cada ubicación del receptor. Los receptores se montan 1,5 m por encima del suelo en varias ubicaciones, tanto dentro de la línea de visión, y más allá de la línea de sitio desde el transmisor. Cada receptor está modelado con una antena omnidireccional de ancho de haz de 45 ° vertical y horizontal. 

Los efectos de dispersión difusa del suelo, paredes de paneles de yeso, pilares, archivadores, particiones de cubículo y soportes de escritorio se modelan utilizando el modelo de directiva descrito en [4, 5, 6]. Con este modelo, la energía dispersa se centra alrededor del ángulo de reflexión especular sin dispersión de la espalda. El factor de dispersión, S, representa la fracción del campo eléctrico incidente que se dispersa diffusely. Los valores válidos oscilan entre 0, sin dispersión difusa, a 1, toda dispersión difusa. La fracción de polarización cruzada K-Xpol representa la fracción de poder difuso que se convierte en polarizada cruzada en relación con la polarización del rayo incidente. Los valores válidos oscilan entre 0 y 0,5.  Por último, el parámetro Alpha controla la forma del lóbulo de dispersión hacia delante. Los valores válidos son números enteros entre 1 y 10, siendo 10 el más estrecho. La figura 2 muestra cómo se dispersa la energía cuando se utiliza el modelo de dispersión difusa de la Directiva.

Figura 2: modelo de dispersión de directiva difusa

Tabla 1: factor de dispersión para diversos materiales de construcción

Los valores recomendados para el factor de dispersión a 60 GHz oscilan entre 0,1 y 0,5 [2]. La tabla 1 muestra el factor de dispersión utilizado para cada uno de los materiales de dispersión difusa habilitados en este ejemplo. Las propiedades de material para los paneles de yeso, hormigón (suelo, techo y pilares), ventanas de vidrio y escritorios se toman de [2]. Las particiones de cubículo se asumen como núcleo de nido de abeja de plástico reforzado con fibra (FRP), y sus propiedades son extrapoladas desde [3]. Se supone que los gabinetes de presentación y otras estructuras metálicas tienen asas, bordes biselados y otras estructuras que pueden contribuir a la dispersión. La fracción de Cruz y el alfa se dejaron en los valores predeterminados de Wireless InSite de 0,4 y 4 respectivamente. 

Ventana Propiedades de dispersión difusa en el área de estudio X3D

Se crean dos áreas de estudio para permitir una fácil comparación de los resultados de dispersión no difusa y los resultados con dispersión difusa. Para las interacciones de dispersión no difusa, los ajustes son 3 reflejos, 1 transmisión y 1 difracción. Para los caminos dispersos difusos, permitimos 1 reflexión, no hay transmisiones y 1 difracción. La capacidad de permitir interacciones a lo largo de las rutas de dispersión difusas es exclusiva de Wireless InSite.

Para replicar los procedimientos de medición descritos en [1], es necesario alinear la antena del transmisor con el receptor previsto y considerar únicamente los canales previstos y emparejados. Esto se hizo mediante la creación de siete transmisores en la ubicación para el transmisor 1, cada uno con la antena de cuerno girado para alinear con la ubicación deseada del receptor. La figura 3 muestra la alineación de la antena para las ubicaciones 1, 4 y 5 del receptor.

Figura 3: varias posiciones de transmisión de la antena de bocina alineadas con varios puntos receptores

Los pares alineados se ejecutan de manera más eficiente seleccionando y haciendo activo; por ejemplo, TX1 a RX1, RX1 y RX1-Xpol, ejecutando la simulación y, a continuación, pasando a TX1 a RX2, RX2 y RX2-Xpol, etc. Ejecutar las simulaciones de esta manera requiere un poco más de un minuto para cada caso especular, y unos cuatro minutos para cada simulación de dispersión difusa.
 
Las figuras [4a] y [4B] muestran los 100 trayectos superiores entre el par TX-RX coincidente para la ubicación del receptor 7. Los senderos rojos son los más fuertes, con caminos más débiles representados en verdes y azules. Los trazados especulares de la figura [4a] muestran que las rutas de potencia más altas suelen estar dentro de la viga principal, con muchos reflejos y transmisiones de menor potencia y a través de las paredes. La figura [4B] incluye rutas con interacciones de dispersión difusas. Uno puede ver la amplia propagación de caminos que se dispersan hacia atrás de la pared detrás del receptor. Otras interacciones no especulares fuera de los pilares y las particiones también son evidentes. El rango en el poder de estas trayectorias es menos dinámico que para los trayectos especulares-solamente.

Figura 4a: rutas de propagación especulares a RX7

Figura 4B: los trazados incluyen dispersión difusa a RX7

Alternativamente, la respuesta de impulso compleja (CIR) muestra la potencia de cada trayecto como una función de su hora de llegada. Las figuras [5A] y [5B] muestran el CIR para RX7, para co-Pol y Cross-Pol respectivamente. Los resultados sólo especulares se trazan en azul, mientras que los resultados rojos incluyen efectos de dispersión difuso. Los resultados de dispersión difusa muestran más manchas, con tiempos de llegada que ocurren muy cerca juntos, mientras que los resultados especulares son más discretos y dispersos. 

Figura 5a: respuesta de impulso complejo copolarizada para RX7 con y sin dispersión difusa

Figura 5b: respuesta de impulso complejo polarizada cruzada para RX7 con y sin dispersión difusa

Los archivos de salida de pérdidas de trayecto relevantes para la comparación con los datos medidos se enumeran en la tabla 2. Una copia de estos se ha guardado en la carpeta de antenas alineadas dentro del proyecto. Además, los resultados de la pérdida de ruta simulada se han recopilado en cuatro archivos para un trazado más sencillo: Aligned_specular_CoPol. PLT, Aligned_specular_XPol. PLT, Aligned_DS_CoPol. PLT y Aligned_DS_XPol. PLT

Tabla 2

Los archivos de trazado para los resultados medidos presentados en [1] se encuentran en la carpeta de medición. Se pueden trazar contra los datos inalámbricos InSite importando sus parcelas.

 Las figuras [6A] y [6B] a continuación muestran las predicciones inalámbricas InSite para la pérdida de trayecto frente a la distancia para las siete ubicaciones del receptor para la caja copolarizada (V-V) y el caso de polarización cruzada (V-H). La línea roja muestra la pérdida de trayecto solo para trayectos especulares y la línea azul representa la pérdida de trayecto con dispersión difusa. Los resultados medidos presentados en [1] se muestran en verde. Estas parcelas muestran que la dispersión difusa tiene un impacto mucho mayor en los resultados de polarización cruzada y es fundamental para proporcionar predicciones precisas.

Figura 6a: simulación de pérdida de trayecto TX/RX Co-polarizada con y sin dispersión difusa en comparación con la medida

Figura 6B: pérdida-simulación de trayecto TX/RX cruzada-polarizada con y sin dispersión difusa en comparación con la medida

 

[1] G. MacCartney, T.S. Rappaport, S. Sun y S. Deng, "mediciones de propagación de ondas milimétricas y modelos de canal de la oficina interior de banda ancha a 28 y 73 GHz para redes inalámbricas ultra-densas 5G", IEEE Access, Vol. 3, Dec 7, 2015, PP. 2388-2424

[2] efectos de los materiales de construcción y estructuras sobre la propagación radioonda por encima de 100 MHz, Recomendación UIT-R P. 2040-1, Julio 2015.

[3] A. von Hippel, y w. b. Westphal, tablas de materiales dieléctricos, volumen V, informe final, laboratorio de investigación de aislamiento, Instituto Tecnológico de Massachusetts, Cambridge, MA, abril de 1957.

[4] degli-Esposti, V., F. Fuschini, E.M. Vitucci, y G. Falciasecca, "medición y modelado de dispersión de edificios", transacciones IEEE sobre antenas y propagación, Vol. 55, no. 1, enero 2007, PP. 143-153.

[5] degli-Esposti, V., "un modelo de dispersión difusa para la predicción de propagación urbana", IEEE Transactions on antenas y propagación, Vol. 49, no. 7, julio 2001, PP. 1111-1113.

[6] degli-Esposti, V., V.-M. Kolmonen, E.M. Vitucci y P. Vainikainen, "análisis y modelado de la propagación de radio urbana copolarizada y cruzada para sistemas inalámbricos MIMO de doble polarización", transacciones IEEE en antenas y propagación, Vol. 59, Nº 11, noviembre 2011, PP. 4247-4256.

[7] J. Pascual-García, et. al., "sobre la importancia del modelo de dispersión difusa parametrización en canales inalámbricos interiores a frecuencias de onda mm," IEEE Access, 8 de febrero de 2016, © 2016 IEEE.