Rendimiento de un nuevo sistema de radio FD-MIMO 5G en un área urbana utilizando beamforming personalizado

Solicitar archivos de proyecto...

Descargue el archivo PDF...

El analizador de sistemas de comunicación Wireless InSite es un conjunto de rutinas de post-procesamiento que se basa en el El modelo X3D de alta fidelidad Cálculos MIMO para predecir el rendimiento del sistema y la tasa de error de bits. Este ejemplo utiliza estas rutinas para analizar el rendimiento entre tres estaciones base de células pequeñas que emplean el beamforming MIMO de dimensión completa (FD) al equipo de usuario (UE) que se mueve a lo largo de una ruta, utilizando 5G New radio (NR) en un entorno urbano denso.

Descripción del proyecto

La geometría del edificio y el follaje se importó desde un shapefile de alta resolución de geometría para una sección del centro de Boston, Massachusetts. El modelo de ciudad importado, el follaje y el terreno contienen un total de 6.452 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 tomados de datos de la UIT para hormigón a 28 GHz [1], [2], mientras que el follaje se modela utilizando un modelo de pérdida de penetración de follaje de Weissberger [3].

Figura 1: vista isométrica y de sobrecarga de la geometría del proyecto en Wireless InSite.

Cada transmisor representa una estación base y utiliza un array de parche doble polarizado de 8x8 que consta de un total de 128 elementos. Las antenas isotrópicas de polarización cruzada se utilizan en ubicaciones receptoras a lo largo de la ruta. Wireless InSite de El modelo X3D acelerado por GPU se usó para proporcionar resultados de propagación de alta fidelidad que incluyen reflejos de los edificios y el terreno y difracciones de los bordes de la construcción. La combinación de geometría de alta resolución y modelado de propagación de alta fidelidad es necesaria para lograr resultados precisos en frecuencias NR 5G. El modelo de propagación calcula la matriz H de cada elemento de los tres transmisores a las ubicaciones del receptor (128 x 2 = 256 entradas por par TX-RX).

El analizador de sistemas de comunicación

El analizador de sistemas de comunicación Wireless InSite proporciona capacidades para predecir el rendimiento, la tasa de error de bits y otras salidas de varios transmisores mediante el procesamiento posterior de los resultados de la matriz H de alta fidelidad de la simulación de propagación. Dentro de un sistema de comunicación, los usuarios pueden establecer parámetros de entrada para:

  • Selección de los conjuntos de transmisores y receptores que se incluirán en el análisis

  • Designar transmisores como estaciones base o fuentes de interferencia

  • Ajuste de niveles uniformes de ruido e interferencia

  • Opcionalmente incluyendo interferencias entre estaciones base

  • Selección de BER o análisis de rendimiento

  • Selección de opciones de beamforming del transmisor

  • Establecer opciones de diversidad para antenas receptoras MIMO

En este ejemplo, se define un sistema de comunicación que especifica el análisis del rendimiento entre tres estaciones base y un UE que viaja a lo largo de una ruta móvil. La ventana de propiedades del sistema de comunicación define una tabla de beamforming personalizada para las estaciones base, el uso de la selección combinada por el UE, y una tabla de rendimiento personalizada basada en las especificaciones 3GPP que se utilizarán en el cálculo del rendimiento para el enlace.

 

Figura 2: ventana de propiedades del sistema de comunicación para calcular el rendimiento de un sistema MIMO.

 

Beamforming personalizado con una tabla de precodificación

La tabla de precodificación definida por el usuario es un archivo de texto que contiene ponderaciones de elementos de antena para la antena de transmisión MIMO. Cada registro en el archivo representa una viga que los elementos de la antena son capaces de producir. Este ejemplo utiliza una tabla que describe 66 haces de antena que permiten que el transmisor escanee horizontalmente de-50 a 50 grados y verticalmente de-10 a + 40 grados en incrementos de 10 grados, variando la fase de cada elemento de la antena. Las estaciones base seleccionarán el haz de antena que maximiza la potencia en el receptor para cada posición del UE.

Análisis de rendimiento personalizado para un dispositivo NR 5G

El rendimiento para el dispositivo 5G NR en el receptor también utiliza un archivo personalizado, mapeando SINR en el dispositivo a una velocidad de datos de enlace descendente alcanzable. Los valores de rendimiento de esta tabla se calcularon utilizando la ecuación Publicada en 3GPP TS 38,306 v 15.2, que calcula las velocidades de datos para 5G NR para cada posible esquema de modulación y codificación (MCS) y tiene en cuenta la sobrecarga de señalización y control y diferencias entre la transmisión de enlace ascendente y descendente [4] [5]. Las estimaciones eran para un solo portador de componentes con un ancho de banda de 100 MHz y asumieron relaciones similares entre el MCS alcanzable y el SINR como se ha observado para LTE.

Resultados

Receptor Diversity

Se crearon tres sistemas de comunicación para analizar los efectos de la combinación de la selección, la combinación de ganancia igual y la combinación de la relación máxima para el equipo de usuario de 5G NR (UE). Los resultados en las figuras 3 y 4 muestran que en este escenario y configuración, no hay una diferencia sustantiva entre los tres métodos de diversidad para el SINR o el rendimiento. El resto de este ejemplo utilizará la combinación de selección para el UE y el beamforming personalizado en las estaciones base.

Figura 3: comparación SINR de los métodos de diversidad de receptores para la estación base 1.

Figura 4: comparación de rendimiento de los métodos de diversidad del receptor para la estación base 1.

SINR y rendimiento para conformación y selección de haces personalizados combinando

Se proporcionan SINR y resultados de rendimiento para cada estación base individual y para las tres estaciones base que trabajan juntas. En este ejemplo, el NR 5G establecerá un link con la estación base que proporciona el valor más alto del SINR. La línea roja en las figuras 5 y 6 representa el rendimiento general de las tres estaciones base al UE, según la estación base que alcanza el SINR más alto en cada punto a lo largo de la ruta. La línea azul representa la contribución de la estación base 1 al SINR y al rendimiento. En las regiones en las que las líneas azul y roja se superponen, el receptor establece un vínculo con la estación base 1. Las contribuciones de las otras dos estaciones base también son trazar, pero fueron omitidas para la claridad de los gráficos.

Figura 5: total SINR (rojo) y SINR desde la estación base 1 hasta UE (azul).

Figura 6: rendimiento total (rojo) y rendimiento de la estación base 1 al UE (azul).

Evaluación de la tabla de beamforming frente a la transmisión de la relación máxima

El beamforming de transmisión de ratio máximo calcula un haz óptimo para cada ubicación del receptor. En las figuras 7 y 8, el SINR y los resultados de rendimiento utilizando una tabla de beamforming personalizada (azul) se comparan con el MRT (rojo). En la mayoría de los lugares, las vigas predefinidas de la tabla de beamforming personalizada son capaces de lograr casi el mismo SINR y el rendimiento como MRT (una técnica más óptima y adaptable), pero hay secciones donde la adición de vigas más dirigidas mejoraría los resultados. Entre 225 y 350 m a lo largo de la ruta, los valores de SINR son demasiado bajos para permitir valores de rendimiento adecuados con ambos métodos de beamforming. Para mejorar la cobertura en esta ubicación, sería necesario añadir una estación base adicional.

Figura 7: comparación de SINR para beamforming personalizado (azul) y MRT (rojo).

Figura 7: comparación de SINR para beamforming personalizado (azul) y MRT (rojo).

Figura 8: comparación de la producción a lo largo de la ruta UE desde las tres estaciones base para MRT (rojo) y beamforming personalizado (azul).

Figura 9: cobertura SINR para la conformación de beamforming y selección personalizada.

Figura 10: cobertura de rendimiento para la combinación de beamforming y selección personalizada.

Conclusión

Wireless InSite de El analizador de sistemas de comunicación se puede utilizar para calcular el rendimiento, SINR y otras cantidades de nivel de sistema para sistemas MIMO realistas, incluyendo la diversidad de beamforming y receptor de transmisión.

En este ejemplo se muestra cómo se puede utilizar una tabla de beamforming personalizada para modelar el comportamiento dinámico de tres estaciones base MIMO en una sección de Boston. Se usó una tabla de rendimiento personalizada para modelar las velocidades de datos de enlace descendente para 5G New radio. Wireless InSite de X3D de alta fidelidad de trazado de rayos y las capacidades MIMO permitieron el cálculo eficiente de SINR y el rendimiento.

En este ejemplo también se muestra cómo las opciones de creación de beamforming teórico y de diversidad del receptor permiten una comparación rápida de la cobertura de rendimiento proporcionada por las técnicas personalizadas.

El analizador de sistemas de comunicación de RemCom proporciona a los planificadores de redes y diseñadores de equipos las herramientas necesarias para evaluar la ubicación de la estación base y estimar el rendimiento en escenarios realistas. Con la capacidad de incorporar beamforming personalizado y tasas de rendimiento, los usuarios tienen la flexibilidad para diseñar y evaluar nuevos equipos y configuraciones de red.

Referencias:

[1] "características eléctricas de la superficie de la tierra", Recomendación UIT-R P. 527-3, 1992.

[2] "efectos de los materiales y estructuras de construcción sobre la propagación radioonda por encima de los 100 MHz", Recomendación UIT-R P. 2040-1, PP. 22 – 23 de julio de 2015.

[3] M. Weissberger, "un resumen crítico inicial de modelos para predecir la atenuación de las ondas de radio por los árboles", 1982, centro de análisis de compatibilidad electromagnética, Annapolis, Maryland. Informe final. https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a118343.pdf

[4] el 3GPP TS 38,306 V 15.2.0 [10] para el 5G NR fue utilizado para calcular el rendimiento máximo basado en la orden de modulación y la velocidad de codificación.

[5] G. Skidmore, "Uso de modelado y simulación para evaluar desafíos y soluciones para el acceso inalámbrico fijo 5G."