オフィス環境における拡散散乱を用いたミリ波チャネルモデリング

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。

PDF をダウンロード

5g システムのために計画されているミリ波周波数は、チャネルモデリングの課題を提起します。これらの周波数では、表面粗さが波の伝搬に影響を与え、受信信号の強度と分極に大きな影響を与える非鏡面方向の散乱を引き起こします。ミリ波周波数のチャネル特性を正確に予測するには、伝播モデリングで拡散散乱効果を考慮する必要があります。ワイヤレス InSite の拡散散乱機能は、Esposti の作業に基づいています。これは、代替散乱パターンを提供し、散乱フィールドの部分的な交差分極を考慮する3つのモデルが含まれています。また、ユーザは必要に応じて、コヒーレント位相を仮定して分散された寄与を合計することができるので、近接したアンテナ (例えば MIMO) 上の位相効果を考慮することができます。

この例では、ワイヤレス InSite の拡散散乱機能を使用して屋内ワイヤレスネットワークのシミュレーションを実行し、[1] で詳述されているいくつかの測定値と比較します。図1に示すシナリオは、壁、柱、窓、キュービクルパーティション、机、キャビネットなどのオフィスビルの9階の一部です。送信機は大きい、開いた部屋の天井のレベルにある。受信機は部屋と廊下のいくつかのポイントに位置しています。

図1a

図1b

図1c

図1d

図 1: 各種受信点に合わせた送信ホーンアンテナの各種位置

私たちは、送信機に最も近い大きな部屋で 73.5 GHz で行われた測定に焦点を当てています。トランスミッタは、15°のビーム幅を持つホーンアンテナパターンと、各レシーバの位置をポイントするように回転される 20 dBi ゲインを使用してモデル化されます。受信機は、ラインの見通し内と送信機からのラインの外の両方で、複数の場所で床の上1.5 メートルに取り付けられています。各レシーバは、垂直および水平の両方の45°ビーム幅全方向アンテナでモデル化されています。 

床、乾式壁、柱、ファイリングキャビネット、キュービクルパーティション、およびデスクサポートの拡散散乱効果は、[4、5、6] で説明したディレクティブモデルを使用してモデル化されます。このモデルでは、散乱エネルギーは、後方散乱なしで鏡面反射角を中心に配置されます。散乱係数 S は、拡散に散在する入射電界の割合を表す。有効な値の範囲は、0 (拡散散乱なし) から1、すべての拡散散乱です。交差分極率 K-xpol は、入射光線の偏光に対して交差偏波となる拡散力の割合を表します。有効な値の範囲は 0 ~ 0.5 です。 最後に、パラメータ alpha は前方散乱ローブの形状を制御します。有効な値は、1 ~ 10 の整数で、10が最も狭くなります。図2は、ディレクティブ拡散散乱モデルを使用した場合のエネルギーの散乱を示しています。

図 2: ディレクティブ拡散散乱モデル

表 1: 各種建材の散乱係数

60 GHz での散乱係数の推奨値は、0.1 から 0.5 [2] です。表1に、この例で使用されている拡散散布図の各マテリアルの散乱係数を示します。乾式壁、コンクリート (床、天井と柱)、ガラス窓、およびデスクトップのための材料特性は、[2] から取得されます。キュービクルの仕切りは繊維補強されたプラスチック (FRP) の蜜蜂の巣の中心であると仮定し、それらの特性は [3] から外挿しられる。ファイリングキャビネットやその他の金属構造物は、ハンドル、ベベルエッジ、およびその他の散乱に寄与する構造を持っていると想定されます。クロス pol 分数とαは、それぞれ0.4 と4の無線 InSite デフォルト値に残されました。 

X3D スタディエリアの拡散散乱プロパティウィンドウ

2つのスタディエリアが作成され、非拡散散乱の結果と拡散反射の結果を簡単に比較できるようになります。非拡散散乱の相互作用では、設定は3つの反射、1つの透過、1回の回折です。拡散散乱パスでは、1回の反射、伝送なし、1回の回折が可能です。拡散散乱パスに沿った相互作用を許可する機能は、ワイヤレス InSite に固有です。

[1] で説明されている測定手順を再現するには、送信機のアンテナを意図した受信機に位置合わせし、目的のペアチャンネルのみを考慮する必要があります。これは、送信機1の場所に7台の送信機を作成し、それぞれがホーンアンテナを回転させて、目的の受信機の位置に合わせることによって行われました。図3は、受信機の位置1、4、5のアンテナの位置合わせを示しています。

図 3: 各種受信点に合わせた送信ホーンアンテナの各種位置

整列したペアは、選択してアクティブにすることで最も効率的に実行されます。例えば、RX1、RX1、RX1-xpol に TX1 し、シミュレーションを実行し、その後、TX1 を rx2、rx2、および rx2-xpol などに移動します。この方法でシミュレーションを実行するには、各スペキュラケースに対して1分以上、拡散散乱シミュレーションごとに約4分かかります。
 
図 [4a] および [4b] は、受信場所7に対して一致した TX − RX 対の間の上位100パスを示す。赤のパスは、緑と青でレンダリング弱いパスで、最強です。図 [4a] のスペキュラパスは、通常、メインビーム内で最も高い電力パスを示し、多くの低いパワード反射と送信が壁を通過します。図 [4b] には、拡散散乱相互作用を持つパスが含まれています。1つは受信機の後ろの壁から後方に散乱する道の広い広がりを見ることができる。柱や仕切りから外れた他の非鏡面相互作用も明らかです。これらのパスの検出力の範囲は、スペキュラのみのパスの場合よりもダイナミックが低くなります。

図 4a: RX7 へのスペキュラ伝搬パス

図 4b: パスに RX7 への拡散散乱が含まれる

または、複素インパルス応答 (CIR) は、各パスのパワーを到着時間の関数として示します。図 [5a] および [5b] は、RX7 の CIR を示し、共 pol およびクロスポルについてそれぞれ示す。スペキュラのみの結果は青でプロットされ、赤色の結果には拡散散乱エフェクトが含まれます。拡散散乱の結果には、より多くのスミアが表示され、到達時間は非常に接近しており、スペキュラ結果はより離散的で広がります。 

図 5a: 拡散散乱の有無に RX7 の共分極複素インパルス応答

図 5b: 拡散散乱の有無に RX7 の交差偏波複素インパルス応答

測定データと比較するための関連パス損失出力ファイルを表2に示します。これらのコピーは、プロジェクト内の [位置合わせアンテナ] フォルダに保存されています。さらに、シミュレートされたパス損失の結果は、Aligned_specular_CoPol、Aligned_specular_XPol、Aligned_DS_CoPol、および Aligned_DS_XPol の4つのファイルにまとめられるようになりました。

表2

[1] で示された測定結果のプロットファイルは、測定フォルダにあります。それらはプロットをインポートすることによって無線 InSite データに対してプロットすることができます。

 図 [6a] および [6b] は、co 偏波 (v − v) ケースとクロス偏極 (v − H) ケースの7つのレシーバロケーションのパス損失対距離のワイヤレス InSite 予測を示しています。赤い線はスペキュラパスのパスの損失のみを示し、青い線は拡散反射によるパスの損失を表します。[1] に示した測定結果は緑色で表示されます。これらのプロットは、拡散散乱が交差偏波結果に非常に大きな影響を与え、正確な予測を提供するために重要であることを示しています。

図 6a: 共分極 TX/RX パス損失-拡散散乱の有無と測定値の比較

図 6b: クロス偏波 TX/RX パス損失-拡散散乱の有無と測定値の比較

 

[1] g. MacCartney、T.S. ラパポート、s. Sun、および s トウ、「超高密度5g ワイヤレスネットワークのための屋内オフィスの広帯域ミリ波伝搬測定および28および 73 GHz のチャネルモデル」、IEEE アクセス、12月7、2015、pp 2388-2424

[2] 建築材料及び構造物が電波伝搬に及ぼす影響約 100 MHz、勧告 ITU-R p. 2040-1、7月2015。

[3] a. フォン・フォンヒッペル、ウェストファル、誘電体材料の表、容積 V、最終報告、断熱研究のための実験室、マサチューセッツ工科大学、ケンブリッジ、MA、4月1957。

[4] デッリ・ Esposti、v.、f. Fuschini、E.M. ビトント、Falciasecca、「建築物からの散乱の計測とモデリング」、アンテナと伝搬に関する IEEE トランザクション、55、1、2007、pp 143-153。

[5] Esposti、v. 「都市伝搬予測のための拡散散乱モデル」、アンテナと伝搬に関する IEEE トランザクション、49、7月、2001、1111-1113。

[6] デッリ・ Esposti、v.-M.Kolmonen、E.M. ビトント、Vainikainen、「デュアル偏波 MIMO 無線システムのための相互分極された都市無線伝搬の解析とモデル化」、アンテナと伝搬に関する IEEE トランザクション、Vol. 59、11、2011、pp. 4247-4256。

[7] j. パスクアル・ガルシア他「ミリ波帯の屋内無線チャンネルにおける拡散散乱モデルのパラメータ化の重要性について」 ieee Access、2月8日、2016、© 2016 ieee。