5g 大規模 MIMO 屋外通信解析

この例のプロジェクトファイルを要求するには、ここをクリックします。

MIMO シミュレーション評価の概念を示すために、ワイヤレス InSite®の MIMO 機能を使用して、バージニア州ロズリンの密集した都市環境にスモールセルシナリオを設定しました (図 1)。ベースステーションは、標高10メートルの高さの主要な交差点の中央値の支柱の上に配置されます。比較の目的で、基地局は、(1) 単一ダイポールアンテナ、および (2) 大型 MIMO アンテナの2つの代替構成で定義されています。どちらも 28 GHz のキャリア周波数を使用します。

インポートした都市モデルと地形には、合計約3800の面が含まれています。建物と地形には、0.484 の導電率と誘電率5.31 のコンクリート材料特性が割り当てられています。図2は、8x8 のクロス偏光ダイポールアレイとして定義された大規模 MIMO アンテナのクローズアップを示しています。最初の要素のゲインパターンが配列ビューに表示されます。モバイルデバイスは、都市を通るルートに沿って移動するように定義されており、西から基地局の位置に近づいて表示され、その後、北に移動するように旋回します。

図 1: ロズリン3D ビルディングとテレインデータは、ワイヤレス InSte 内の SISO および MIMO 解析用に設定されています。

図 2: 128 要素の大規模 MIMO アレイは、ダウンタウンエリアに移動 Rx が設定された、地上数フィートの Tx ポイントに位置しています。

 

ワイヤレス InSite MIMO は、ユーザーが n 素子サイズの MIMO アレイを設計できるアレイビルダを備えています。このツールを使用すると、配置、アンテナパターン、回転など、配列の個々の要素を制御することもできます。図3は、配列ビルダ内の128要素の配列を示しています。わかりやすくするために、このアレイは、半波長間隔で配置されたダイポールアンテナを使用して構築し、示されている64の各位置に垂直偏波と水平偏波の両方の要素を配置しています。ただし、ソフトウェアはさまざまな種類の分析パターンを処理でき、Remcom の XFdtd®のようなフルウェーブソルバーからの高忠実度の配列シミュレーションによって生成されたインポートパターンを利用することもできることに注意してください。

図 3: 128 要素の大規模 MIMO アレイは、ワイヤレス InSite の強力なアレイビルダで構築されました。

 

ワイヤレス InSite の分析範囲のプロパティを使用すると、ユーザーは物理学およびレイトレーシング計算のさまざまな側面を設定および制御できます。図4は、大規模 MIMO シミュレーションのための研究領域設定ダイアログを示しています。分析範囲は、ワイヤレス InSite の GPU アクセラレーション X3D レイモデルを使用するように定義されており、レイトレースには最大6つの反射と1回の回折を含む伝搬パスが含まれるように定義されており、伝送を省略して計算を屋外に制限します。

図 4: [分析範囲のプロパティ] ウィンドウでは、実行する伝播モデルとインタラクションの数をユーザが制御できます。

 

その後、単一アンテナと MIMO アンテナを用いたシミュレーションを行います。ワイヤレス InSite は、受信電力、伝播経路、到着/出発時刻など、ユーザが要求する出力を提供します。1つの送信アンテナの解析による典型的な結果は、エリア上のカバレッジマップの形式で、またはルートに沿った距離の関数として表示される、モバイルデバイスによって受信される電力です。図5は、基地局の近傍におけるカバレッジを示すフィールドマップを提供する。図6は、モバイルデバイスがそのルートに沿って受信した電力 (シーンのビューで赤で表示) のプロットを示しています。2番目の図に示すように、モバイルデバイスが基地局に近づくにつれてルートに沿って電力が増加し、離れるにつれて落下し、コーナーを曲がると視線の外に出ると劇的に低下します。ルートに沿った受信電力の急速なフェージングは、建物とのマルチパス相互作用 (反射と回折) によるものです。

図 5: シーンの領域上のカバレッジを示すフィールドマップ。

図 6: 単一アンテナで基地局からのルートに沿ってモバイルデバイスによって受信される電力

 

単一アンテナと MIMO システムの両方に関連するもう1つの出力は、マルチパスの尺度である複雑なインパルス応答です。複素インパルス応答は、到着または位相の時間の関数として、到着するマルチパス信号のパワーを測定します。図7は、ルートに沿って約240メートルのポイントでベースステーションとモバイルデバイスの間の上位25の伝播パスを示しています。単一アンテナ基地局に対するこの位置での複素インパルス応答を図8に示す。

図 7: ベースステーションからモバイルデバイスへの上位25の伝搬経路に沿った1つのポイント。

図 8: 上に示した位置でのモバイルデバイスの複雑なインパルス応答。

 

ワイヤレス InSite MIMO では、図9に示すチャネルデータ結果ブラウザを使用して、H マトリックス、複雑なインパルス応答、および遅延スプレッドを書き出すことができます。この画像は、MIMO システムにおける送受信アンテナ素子のすべての組み合わせにおいて、ロズリン MIMO シナリオの受信電力をレシーバ番号の関数としてプロットするための設定を示しています。図10は、その経路に沿ったモバイルデバイスでの受信電力を示し、すべての送信機要素に対して結果をオーバレイする。

図 9: 「チャネルデータの分析」結果ブラウザは、ワイヤレス InSite MIMO モジュール用に作成されました。このブラウザでは、H マトリックス、複雑なインパルス応答、遅延スプレッド、および受信電力を出力することができます。

図 10: MIMO 基地局のすべての128送信要素からのルートに沿ってモバイルデバイスによって受信される電力。

 

MIMO シミュレーションの主要な出力結果の1つは、複素チャネル行列 (H 行列) です。H マトリックスは、すべての送信機要素からすべての受信機要素へのマルチパス伝搬特性をエンコードし、ビームフォーミング、チャネル容量、およびその他の MIMO システムレベルの解析で一般的に使用されます。ワイヤレス InSite のチャンネルデータ結果ブラウザを使用すると、ユーザは H マトリクスを .csv ファイルにエクスポートすることができ、追加の後処理分析によってチャネルマルチパスが MIMO システムのパフォーマンスにどのように影響するかを判断することが可能になります。

もっと見る 5G Mimo シミュレーションの例