カスタムビームフォーミングを用いた都市部における5g 新しい無線 FD-MIMO システムのスループット

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ワイヤレス InSite の通信システムアナライザは、ポストプロセッシングルーチンのセットで、 X3D モデルの高忠実度 システムスループットとビットエラー率を予測する MIMO 計算。 この例では、これらのルーチンを利用して、高密度な都市環境で5G の新しい無線 (NR) を使用して、ルートに沿って移動する、フルディメンション (FD) MIMO ビームフォーミングを用いた3つのスモールセル基地局間のスループットを解析します。

プロジェクトの説明

建物と葉のジオメトリは、ボストンのダウンタウンのセクションのための幾何学の高解像度のシェープファイルからインポートされました, MA. インポートされた都市モデル、葉、地形には合計6452の面が含まれています。 建物と地形には、0.484 の導電率を有するコンクリート材料特性と、28 GHz のコンクリートの ITU データから採取した5.31 の誘電率 [2]、Weissberger による茎葉の浸透損失モデルを使用して樹木をモデル化したものが割り当てられています [3]。

図 1: ワイヤレス InSite のプロジェクトジオメトリの等角投影と俯瞰図

各トランスミッタはベースステーションを表し、合計128のエレメントで構成される8x8 のデュアル偏光パッチアレイを使用します。 交差偏波等方性アンテナは、経路上のレシーバ位置で使用されます。 ワイヤレス InSite の GPU アクセラレーション X3D モデルは、建物や地形からの反射や建物のエッジからの回折を含む、忠実度の高い伝搬結果を提供するために使用されました。 5G NR 周波数で正確な結果を得るには、高解像度のジオメトリと高忠実度の伝播モデリングの組み合わせが必要です。 伝搬モデルでは、3つのトランスミッタの各要素からレシーバの位置までの H-マトリクスを計算します (tx-rx ペアごとに 128 x 2 = 256 のエントリ)。

通信システム分析装置

ワイヤレス InSite の通信システムアナライザ 伝搬シミュレーションの高精度 H マトリックス結果を後処理することにより、複数の送信機からのスループット、ビット誤り率、およびその他の出力を予測する機能を提供します。 通信システム内では、ユーザーは以下の入力パラメーターを設定できます。

  • 解析に含めるトランスミッタおよびレシーバセットの選択

  • 送信機を基地局または干渉源として指定する

  • 均一なノイズと干渉レベルの設定

  • 必要に応じて基地局間の干渉を含む

  • BER またはスループット分析の選択

  • トランスミッタビームフォーミングオプションの選択

  • MIMO 受信アンテナのダイバーシチオプションの設定

この例では、通信システムを定義し、3つの基地局と移動経路に沿って移動する UE との間のスループットの分析を指定する。 通信システムのプロパティウィンドウは、ベースステーションのカスタムビームフォーミングテーブル、UE による選択の組み合わせの使用、およびリンクのスループットの計算に使用される3GPP 仕様に基づくカスタムスループットテーブルを定義します。

 

図 2: MIMO システムのスループットを計算するための通信システムのプロパティウィンドウ

 

プリコーディングテーブルを使用したカスタムビームフォーミング

ユーザ定義のプリコーディングテーブルは、送信 MIMO アンテナ用のアンテナ素子重み付けを含むテキストファイルである。 ファイル内の各レコードは、アンテナ要素が生成できるビームを表します。 この例では、各アンテナ素子の位相を変化させることによって、トランスミッタが-50 から50度に水平方向にスキャンし、10度刻みで-10 ~ + 40 度になるように、66のアンテナビームを説明するテーブルを使用しています。 基地局は、UE の各位置の受信機での電力を最大にするアンテナビームを選択します。

5G NR デバイスのカスタムスループット分析

また、受信機の 5G NR デバイスのスループットは、カスタムファイルを使用して、デバイスでの SINR を達成可能なダウンリンクデータレートにマッピングします。 このテーブルのスループット値は、3GPP TS 38.306 v 15.2 に公開されている式を使用して計算し、各電位変調および符号化方式 (MCS) の 5G NR のデータレートを計算し、シグナリングおよび制御のためのオーバーヘッドを考慮し、アップリンクとダウンリンク送信の違い [4] [5]。 推定値は、100 MHz の帯域幅を持つ単一のコンポーネントキャリアに対するもので、LTE で観測されているように、達成可能な MCS と SINR との間で同様の関係を想定していました。

結果

レシーバダイバーシティ

3つの通信システムを作成し、5G NR ユーザー機器 (UE) の選択合成、等利得合成、最大比合成の効果を分析しました。 図3および4の結果は、このシナリオおよび構成では、SINR またはスループットの3つのダイバーシチ方法に実質的な違いがないことを示しています。 この例の残りの部分では、ベースステーションでの UE およびカスタムビームフォーミングの選択結合を使用します。

図 3: 基地局1の受信ダイバーシチ方式の SINR 比較

図 4: 基地局1の受信ダイバーシチ方式のスループット比較

カスタムビームフォーミングと選択結合のための SINR とスループット

SINR とスループットの結果は、個々の基地局と3つの基地局が連携して動作します。 この例では、5G NR は、最高の SINR 値を提供するベースステーションとのリンクを確立します。 図5および6の赤い線は、UE に対する3つの基地局の全体的なパフォーマンスを表し、ルートに沿った各ポイントで最も高い SINR を達成する基地局に従っています。 青い線は、SINR とスループットに対する基地局1の貢献度を表します。 青色と赤色の線が重なる領域では、受信側は基地局1とのリンクを確立します。 他の2つの基地局からの貢献もプロット不可能であるが、グラフの明瞭さのために省略された。

図 5: 基地局1から UE (青) への合計 SINR (赤) と SINR。

図 6: 総スループット (赤) とベースステーション1から UE (青) までのスループット。

ビームフォーミングテーブルの評価と最大比伝送の比較

最大比伝達ビームフォーミングは、各レシーバ位置に最適なビームを計算します。 図7および8では、カスタムビームフォーミングテーブル (青) を使用した SINR およびスループット結果が MRT (赤) と比較されます。ほとんどの場所では、カスタムビームフォーミングテーブルからの事前定義されたビームは MRT (より最適なアダプティブテクニック) とほぼ同じ SINR とスループットを達成することができますが、ターゲットビームを追加すると結果が改善されるセクションがあります。 ルートに沿って225と 350 m の間で、SINR 値は低すぎて、両方のビームフォーミング方式で十分なスループット値を許容できません。 この場所のカバレッジを向上させるには、追加のベースステーションを追加する必要があります。

図 7: カスタム (青) および MRT (赤) ビームフォーミングの SINR の比較

図 7: カスタム (青) および MRT (赤) ビームフォーミングの SINR の比較

図 8: MRT (赤) およびカスタムビームフォーミング (青) のすべての3つの基地局からの UE ルートに沿ったスループットの比較。

図 9: カスタムビームフォーミングと選択結合の SINR カバレッジ

図 10: カスタムビームフォーミングと選択結合のスループットカバレッジ

結論

ワイヤレス InSite の 通信システム分析装置 送信ビームフォーミングとレシーバダイバーシチの両方を含む、リアルな MIMO システムのスループット、SINR、およびその他のシステムレベルの量を計算するために使用できます。

この例では、カスタムビームフォーミングテーブルを使用して、ボストンのセクションにある3つの MIMO 基地局の動的な動作をモデル化する方法を示します。 カスタムスループットテーブルは、5G 新しい無線のダウンリンクデータレートをモデル化するために使用されました。 ワイヤレス InSite の X3D 高忠実度レイトレーシング また、MIMO 機能により、SINR とスループットの効率的な計算が可能になります。

この例では、組み込みの理論ビームフォーミングとレシーバダイバーシチオプションを使用して、カスタムテクニックによって提供されるスループットカバレッジをすばやく比較する方法も示します。

Remcom の通信システムアナライザは、基地局の位置を評価し、現実的なシナリオでスループットを推定するために必要とされるツールをネットワークプランナーや機器の設計者に提供します。 カスタムビームフォーミングとスループットレートを組み込むことができるため、新しい機器やネットワーク構成の設計と評価を柔軟に行うことができます。

参照:

[1] 「地球の表面の電気的特性」、勧告 ITU-r. 527-3、1992。

[2] 「建築材料及び構造物が、約 100 MHz 以上の電波伝搬に及ぼす影響」、勧告 ITU-R p. 2040-1、2015 7 月28日

[3] m. Weissberger、「樹木による電波の減衰を予測するためのモデルの最初の重要な要約」1982、電磁適合性解析センター、アナポリス、メリーランド。最終報告書。https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a118343.pdf

[4] 3GPP TS 38.306 V 15.2.0 [10] は、変調順序および符号化レートに基づいてピークスループットを計算するために使用された。

[5] g. スキッドモア、「モデリングとシミュレーションを使用した5g 固定ワイヤレスアクセスの課題と解決策の評価."