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Las frecuencias de ondas milimétricas previstas para los sistemas 5G plantean retos para el modelado de canales. En estas frecuencias, la rugosidad de la superficie afecta a la propagación de las ondas, provocando una dispersión en direcciones no especulares que puede tener un gran efecto en la intensidad y polarización de la señal recibida. Para predecir con exactitud las características del canal en las frecuencias de ondas milimétricas, el modelado de la propagación debe tener en cuenta los efectos de la dispersión difusa. La función 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 puedan tenerse en cuenta los efectos de fase en antenas muy próximas (por ejemplo, MIMO).
En este ejemplo se utiliza la capacidad de dispersión difusa de Wireless InSite para realizar simulaciones de una red inalámbrica en interiores y se compara con algunas mediciones detalladas en [1]. El escenario, que se muestra en la Figura 1, es una parte de la 9ª planta de un edificio de oficinas, que incluye paredes, pilares, ventanas, tabiques de cubículos, escritorios y armarios. El transmisor está situado a la altura del techo en una gran sala abierta. Los receptores están situados en varios puntos de la sala y en el pasillo.
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Figura 1: Distintas posiciones de la antena de trompeta transmisora alineada con distintos puntos del receptor
Nos centramos en las mediciones realizadas a 73,5 GHz en la sala grande más cercana al transmisor. El transmisor se modela utilizando un diagrama de antena de bocina con una anchura de haz de 15° y una ganancia de 20 dBi que se gira para apuntar a cada ubicación del receptor. Los receptores están montados a 1,5 m por encima del suelo en varias ubicaciones, tanto dentro de la línea de visión como más allá de la línea de visión del transmisor. Cada receptor se modela con una antena omnidireccional vertical y horizontal de 45° de ancho de haz.
Los efectos de dispersión difusa del suelo, paredes de yeso, pilares, archivadores, tabiques de cubículos y soportes de escritorio se modelan utilizando el modelo directivo descrito en [4, 5, 6]. Con este modelo, la energía dispersa se centra alrededor del ángulo de reflexión especular sin retrodispersión. El Factor de Dispersión, S, representa la fracción del campo eléctrico incidente que se dispersa difusamente. Los valores válidos van de 0, ninguna dispersión difusa, a 1, toda dispersión difusa. La fracción de polarización cruzada K-xpol representa la fracción de potencia difusa que se convierte en polarización cruzada relativa a la polarización del rayo incidente. Los valores válidos van de 0 a 0,5. Por último, el parámetro alfa controla la forma del lóbulo de dispersión hacia delante. Los valores válidos son 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 directiva.
Figura 2: Modelo directivo de dispersión difusa
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 con dispersión difusa en este ejemplo. Las propiedades de los materiales para los paneles de yeso, el hormigón (suelo, techo y pilares), las ventanas de cristal y los escritorios se han tomado de [2]. Se supone que las particiones de los cubículos son de plástico reforzado con fibra (FRP) con núcleo de nido de abeja, y sus propiedades se extrapolan de [3]. Se supone que los archivadores y otras estructuras metálicas tienen asas, bordes biselados y otras estructuras que pueden contribuir a la dispersión. La fracción de polo cruzado y alfa se dejaron en los valores por defecto de Wireless InSite de 0,4 y 4 respectivamente.
Tabla 1: Factor de dispersión para diversos materiales de construcción
Se crean dos áreas de estudio para poder comparar fácilmente los resultados de dispersión no difusa y los resultados con dispersión difusa. Para las interacciones de dispersión no difusa los ajustes son 3 reflexiones, 1 transmisión y 1 difracción. Para las trayectorias de dispersión difusa, permitimos 1 reflexión, ninguna transmisión y 1 difracción. La capacidad de permitir interacciones a lo largo de las trayectorias de dispersión difusa es exclusiva de Wireless InSite.
Ventana de propiedades de dispersión difusa en el área de estudio X3D
Para reproducir los procedimientos de medición descritos en [1], es necesario alinear la antena del transmisor con el receptor previsto y considerar únicamente los canales emparejados previstos. Para ello se crearon siete transmisores en la ubicación del transmisor 1, cada uno con la antena de bocina girada para alinearla con la ubicación del receptor previsto. La figura 3 muestra la alineación de las antenas de los receptores 1, 4 y 5.
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Figura 3: Distintas posiciones de la antena de trompeta transmisora alineada con distintos puntos del receptor
Los pares alineados se ejecutan de forma más eficiente seleccionando y activando; por ejemplo, TX1 a RX1, RX1 y RX1-xpol, ejecutando la simulación, y luego pasando a TX1 a RX2, RX2 y RX2-xpol, etc. Ejecutar las simulaciones de esta manera requiere 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 principales entre el par TX- RX emparejado para la ubicación 7 del receptor. Las trayectorias rojas son las más fuertes, con las trayectorias más débiles representadas en verde y azul. Los trayectos especulares de la figura [4a] muestran que los trayectos de mayor potencia suelen estar dentro del haz principal, con muchas reflexiones y transmisiones de menor potencia fuera y a través de las paredes. La figura [4b] incluye trayectorias con interacciones de dispersión difusa. Se puede ver la gran dispersión de los trayectos que se dispersan hacia atrás en la pared detrás del receptor. También se aprecian otras interacciones no especulares con los pilares y tabiques. La gama de potencia de estos trayectos es menos dinámica que la de los trayectos sólo especulares.
Alternativamente, la Respuesta Impulso Compleja (CIR) muestra la potencia de cada camino en función de su tiempo de llegada. Las figuras [5a] y [5b] muestran la CIR para RX7, para co-pol y cross-pol respectivamente. Los resultados sólo especulares se representan en azul, mientras que los rojos incluyen efectos de dispersión difusa. Los resultados de la dispersión difusa muestran una mayor dispersión, con tiempos de llegada muy próximos entre sí, mientras que los resultados especulares son más discretos y dispersos.
Los archivos de salida de pérdida de trayectoria relevantes para la comparación con los datos medidos se enumeran en la Tabla 2. Se ha guardado una copia de los mismos en la carpeta Antenas alineadas dentro del proyecto. Se ha guardado una copia de los mismos en la carpeta Antenas alineadas del proyecto. Además, los resultados de las pérdidas de trayecto simuladas se han reunido en cuatro archivos para simplificar el trazado: Aligned_specular_CoPol.plt, Aligned_specular_XPol.plt, Aligned_DS_CoPol.plt, y Aligned_DS_XPol.plt
Cuadro 2
Los archivos de gráficos de los resultados de las mediciones presentados en [1] se encuentran en la carpeta de mediciones. Pueden compararse con los datos de Wireless InSite importando sus gráficos.
Las figuras [6a] y [6b] muestran las predicciones de Wireless InSite para la pérdida de trayectoria en función de la distancia para las siete ubicaciones del receptor para el caso de polarización conjunta (V-V) y el caso de polarización cruzada (V-H). La línea roja muestra la pérdida de trayecto sólo 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. Estos gráficos muestran que la dispersión difusa tiene un impacto mucho mayor en los resultados de polarización cruzada y es fundamental para proporcionar predicciones precisas.
Figura 6b: Pérdida de trayecto TX/RX con polarización cruzada - simulación con y sin dispersión difusa comparada con la medida
[1] G. MacCartney, T.S. Rappaport, S. Sun y S. Deng, "Indoor Office Wideband Millimeter-Wave Measurements and Channel Models at 28 and 73 GHz for Ultra-Dense 5G Wireless Networks", IEEE Access, vol. 3, 7 de diciembre de 2015, pp. 2388 - 2424.
[2] Effects of building materials and structures on radiowave propagation above about 100 MHz, Recomendación UIT-R P.2040-1, julio de 2015.
[3] A. Von Hippel y W. B. Westphal, Tables of Dielectric Materials, Volume V, Final Report, Laboratory for Insulation Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, abril de 1957.
[4] Degli-Esposti, V., F. Fuschini, E.M. Vitucci, y G. Falciasecca, "Measurement and Modeling of Scattering from Buildings", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 55, No. 1, enero de 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, julio de 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-García, et. al., "On the Importance of Diffuse Scattering Model Parameterization in Indoor Wireless Channels at mm-Wave Frequencies", IEEE Access, 8 de febrero de 2016, © 2016 IEEE.
