5Gシステム用に計画されているミリ波周波数は、チャネルモデリングに課題をもたらす。これらの周波数では、表面粗さが波の伝搬に影響し、受信信号強度や偏波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、伝搬モデリングで散漫散乱効果を考慮する必要があります。Wireless InSiteの散漫散乱機能は、Degli-Espostiの研究に基づいています。これには、代替散乱パターンを提供し、散乱界の部分的な交差偏波を考慮する3つのモデルが含まれています。また、コヒーレント位相を仮定して散乱寄与を合計するオプションもあり、間隔の狭いアンテナ（MIMOなど）上の位相効果を考慮することができます。
この例では、Wireless InSiteの散漫散乱機能を使用して屋内無線ネットワー クのシミュレーションを実行し、[1]で詳述されている測定結果と比較します。図1に示すシナリオは、オフィスビルの9階の一部で、壁、柱、窓、キュービクルの仕切り、机、キャビネットなどがあります。送信機は、広く開放的な部屋の天井レベルに設置されている。受信機は部屋と廊下の数カ所に設置されている。
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図1：送信ホーンアンテナの様々な位置と受信ポイント
ここでは、送信機に最も近い大きな部屋で73.5GHzで行われた測定に焦点を当てる。送信機は、ビーム幅15°、利得20dBiのホーンアンテナパターンを用いてモデル化され、各受信機の位置を向くように回転されている。レシーバーは床から1.5mの高さに設置され、送信機から見通し内と見通し外の両方に設置されている。各レシーバーは、垂直および水平45°ビーム幅の無指向性アンテナでモデル化されている。
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、机のサポートによる拡散散乱効果は、[4、5、6]で説明されている 指向性モデルを使用してモデル化されている。このモデルでは、散乱エネル ギーは鏡面反射角を中心とし、後方散乱はありません。散乱係数Sは、拡散散乱される入射電界の割合を表します。有効な値の範囲は0（拡散散乱なし）から1（すべて拡散散乱）までです。交差偏光率K-xpolは、入射光線の偏光に対して交差偏光になる拡散パワーの割合を表します。有効な値は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から10の整数で、10が最も狭くなります。図2は、指向性散漫散乱モデルを使用した場合にエネルギーがどのように散乱するかを示しています。
図2：直接拡散散乱モデル
60 GHzにおける散乱係数の推奨値は0.1～0.5である[2]。表1に、この例で拡散散乱を有効にする各材料に使用した散乱係数を示す。乾式壁、コンクリート（床、天井、柱）、ガラス窓、デスクトップの材料特性は [2]から取得した。キュービクルのパーティションは繊維強化プラスチック（FRP）ハニカムコアと仮定し、その特性は[3]から外挿した。ファイリングキャビネットおよびその他の金属構造物には、取っ手、面取りされたエッジ、および散乱に寄与する可能性のあるその他の構造があると仮定した。クロスポール率とアルファ値は、それぞれWireless InSiteのデフォルト値である0.4と4のままとした。
表1：様々な建材の散乱係数
非拡散散乱の結果と拡散散乱の結果を簡単に比較できるように、2つの研究エリアが作成されています。非拡散散乱相互作用については、3回の反射、1回の透過、1回の回折を設定します。拡散散乱の経路については、反射1回、透過なし、回折1回を許可します。拡散散乱パスに沿った相互作用を許可する機能は、Wireless InSite独自のものです。
X3Dスタディエリアの「Diffuse Scattering Properties」ウィンドウ
1]に記載された測定手順を再現するには、送信機のアンテナを意図された受信機に合わせ、意図されたペアチャンネルのみを考慮する必要がある。これは、送信機1の位置に7つの送信機を作成し、それぞれホーンアンテナを回転させて意図した受信機の位置に合わせることで行った。図3は、受信機ロケーション1、4、5のアンテナアライメントを示している。
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図3：送信ホーンアンテナの様々な位置と受信ポイント
例えば、TX1からRX1、RX1、RX1-xpolを選択してアクティブにし、シミュレーションを実行した後、TX1からRX2、RX2、RX2-xpolなどに移行します。この方法でシミュレーションを実行すると、鏡面反射の各ケースで1分強、拡散散乱の各シミュレーションで4分程度が必要です。
図[4a]と[4b]は、受信位置7について、マッチングされたTX-RXペア間の上位100パスを示しています。赤いパスが最も強く、弱いパスは緑と青で表示される。図[4a]の鏡面パスは、最高出力のパスは通常メインビーム内にあり、低出力のパスは壁からの反射や透過が多いことを示している。図[4b]には、拡散散乱相互作用を伴う経路が含まれています。レシーバーの背後の壁から後方に散乱するパスの広がりが見て取れます。柱やパーティションからの他の非鏡面相互作用も明らかである。これらのパスのパワーの範囲は、鏡面反射のみのパスよりもダイナミックではありません。
あるいは、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す。図[5a]と[5b]は、RX7のCIRを、それぞれco-polとcross-polについて示しています。鏡面反射のみの結果は青でプロットされ、赤の結果は拡散散乱効果を含んでいる。拡散散乱の結果はより不鮮明で、到着時刻が非常に接近しているのに対し、鏡面反射の結果はより不連続で広がっている。
測定データと比較するための関連パスロス出力ファイルを表2に示す。これらのコピーは、プロジェクト内の「Aligned Antennas」フォルダに保存されています。さらに、経路損失のシミュレーション結果は、より簡単にプロットできるように4つのファイルにまとめられています：Aligned_specular_CoPol.plt、Aligned_specular_XPol.plt、Aligned_DS_CoPol.plt、Aligned_DS_XPol.plt。
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。そのプロットをインポートすることで、Wireless InSiteのデータに対してプロットすることができます。
以下の図[6a]と[6b]は、同偏波(V-V)の場合と交差偏波(V-H)の場合の7つのレシーバー位置の距離に対するパスロスのWireless InSiteの予測を示しています。赤線は鏡面パスのみのパスロス、青線は拡散散乱を含むパスロスを示す。1]で示された測定結果は緑色で示されている。これらのプロットは、散漫散乱が交差偏光の結果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6b：交差偏光TX/RXパスロス - 拡散散乱の有無によるシミュレーションと測定値の比較
[1] G. MacCartney, T.S. Rappaport, S. Sun, and S. Deng, "Indoor Office Wideband Millimeter-Wave Propagation Measurements and Channel Models at 28 and 73 GHz for Ultra-Dense 5G Wireless Network," IEEE Access, Vol.3, Dec 7, 2015, pp.2388 - 2424
[2] 約100MHz以上の電波伝搬における建築材料と構造の影響、勧告ITU-R P.2040-1、2015年7月。
[3] A. Von Hippel, and W. B. Westphal, Tables of Dielectric Materials, Volume V, Final Report, Laboratory for Insulation Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, April 1957.
[4] Degli-Esposti, V., F. Fuschini, E.M. Vitucci, and G. Falciasecca, "Measurement and Modeling of Scattering from Buildings", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.55, No.1, January 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, July 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-Garcia, et., "On Importance of Diffuse Scattering Model Parameterization in Indoor Wireless Channels at mm-Wave Frequencies," IEEE Access, February 8, 2016, © 2016 IEEE.
