Карта SINR для 5G городская тестовая среда макроячейки
Этот пример показывает, как создать 5G городская тестовая среда макроячейки и визуализировать сигнал к интерференции плюс шумовое отношение (SINR) на карте. Тестовая среда основана на инструкциях, заданных в Отчете ITU-R M. [IMT-2020. EVAL] [1] для оценки технологий радио 5G. Этот отчет задает несколько тестовых сред и сценариев использования в Разделе 8.2. Тестовая среда в этом примере основана на городской среде с высокой пользовательской плотностью и загрузками трафика, фокусирующимися на пешеходных и автомобильных пользователях (Плотный Городской-eMBB). Тестовая среда включает шестиугольную сеть ячейки, а также пользовательскую антенную решетку, которая реализована с помощью Phased Array System Toolbox™.
Размещение сети Define
Инструкции по тестовой среде для технологий 5G снова используют тестовое размещение сети для технологий 4G, заданных в Разделе 8.3 из ITU-R M.2135-1 [2] Отчета, который показывают ниже. Размещение состоит из 19 сайтов, помещенных в шестиугольное размещение, каждого с 3 ячейками. Расстояние между смежными сайтами является расстоянием межсайта (ISD) и зависит от тестового сценария использования. Для Плотной Городской-eMBB тестовой среды ISD составляет 200 м.
Создайте соответствие местоположений сайтам ячейки в сетевом размещении, с помощью MathWorks Glasgow в качестве центрального местоположения.
% Define center location site (cells 1-3) centerSite = txsite('Name','MathWorks Glasgow', ... 'Latitude',55.862787,... 'Longitude',-4.258523); % Initialize arrays for distance and angle from center location to each cell site, where % each site has 3 cells numCellSites = 19; siteDistances = zeros(1,numCellSites); siteAngles = zeros(1,numCellSites); % Define distance and angle for inner ring of 6 sites (cells 4-21) isd = 200; % Inter-site distance siteDistances(2:7) = isd; siteAngles(2:7) = 30:60:360; % Define distance and angle for middle ring of 6 sites (cells 22-39) siteDistances(8:13) = 2*isd*cosd(30); siteAngles(8:13) = 0:60:300; % Define distance and angle for outer ring of 6 sites (cells 40-57) siteDistances(14:19) = 2*isd; siteAngles(14:19) = 30:60:360;
Параметры ячейки Define
Каждый сайт ячейки имеет три передатчика, соответствующие каждой ячейке. Создайте массивы, чтобы задать имена, широты, долготы и углы антенны каждого передатчика ячейки.
% Initialize arrays for cell transmitter parameters numCells = numCellSites*3; cellLats = zeros(1,numCells); cellLons = zeros(1,numCells); cellNames = strings(1,numCells); cellAngles = zeros(1,numCells); % Define cell sector angles cellSectorAngles = [30 150 270]; % For each cell site location, populate data for each cell transmitter cellInd = 1; for siteInd = 1:numCellSites % Compute site location using distance and angle from center site [cellLat,cellLon] = location(centerSite, siteDistances(siteInd), siteAngles(siteInd)); % Assign values for each cell for cellSectorAngle = cellSectorAngles cellNames(cellInd) = "Cell " + cellInd; cellLats(cellInd) = cellLat; cellLons(cellInd) = cellLon; cellAngles(cellInd) = cellSectorAngle; cellInd = cellInd + 1; end end
Создайте ретрансляторы
Создайте ретрансляторы с помощью параметров, заданных выше, а также параметры конфигурации, заданные для Городского-eMBB Плотного. Средство просмотра Стартовой площадки (Antenna Toolbox) и набор формирование изображений карты с помощью свойства Basemap. Также откройте средство выбора основной карты в Средстве просмотра Сайта путем нажатия второй кнопки справа. Выберите "OpenStreetMap", чтобы выбрать основную карту с улицами и метками.
% Define transmitter parameters using Table 8-2 (b) of Report ITU-R M.[IMT-2020.EVAL] fq = 4e9; % Carrier frequency (4 GHz) for Dense Urban-eMBB antHeight = 25; % m txPowerDBm = 44; % Total transmit power in dBm txPower = 10.^((txPowerDBm-30)/10); % Convert dBm to W % Create cell transmitter sites txs = txsite('Name',cellNames, ... 'Latitude',cellLats, ... 'Longitude',cellLons, ... 'AntennaAngle',cellAngles, ... 'AntennaHeight',antHeight, ... 'TransmitterFrequency',fq, ... 'TransmitterPower',txPower); % Launch Site Viewer viewer = siteviewer; % Show sites on a map show(txs); viewer.Basemap = 'openstreetmap';
Создайте элемент антенны
Раздел 8.5 из отчета [1] ITU-R задают характеристики антенны для антенн базовой станции. Антенна моделируется как имеющий одну или несколько панелей антенны, где каждая панель имеет один или несколько элементов антенны. Используйте Phased Array System Toolbox, чтобы реализовать шаблон элемента антенны, заданный в отчете.
% Define pattern parameters azvec = -180:180; elvec = -90:90; Am = 30; % Maximum attenuation (dB) tilt = 0; % Tilt angle az3dB = 65; % 3 dB bandwidth in azimuth el3dB = 65; % 3 dB bandwidth in elevation % Define antenna pattern [az,el] = meshgrid(azvec,elvec); azMagPattern = -12*(az/az3dB).^2; elMagPattern = -12*((el-tilt)/el3dB).^2; combinedMagPattern = azMagPattern + elMagPattern; combinedMagPattern(combinedMagPattern<-Am) = -Am; % Saturate at max attenuation phasepattern = zeros(size(combinedMagPattern)); % Create antenna element antennaElement = phased.CustomAntennaElement(... 'AzimuthAngles',azvec, ... 'ElevationAngles',elvec, ... 'MagnitudePattern',combinedMagPattern, ... 'PhasePattern',phasepattern); % Display radiation pattern f = figure; pattern(antennaElement,fq);
Отобразите карту SINR для одного элемента антенны
Визуализируйте SINR для сценария тестирования с помощью одного элемента антенны и модели распространения свободного пространства. Для каждого цветного местоположения на карте источник сигнала является ячейкой с самой большой силой сигнала, и все другие ячейки являются источниками интерференции.
% Assign the antenna element for each cell transmitter for tx = txs tx.Antenna = antennaElement; end % Define receiver parameters using Table 8-2 (b) of Report ITU-R M.[IMT-2020.EVAL] bw = 20e6; % 20 MHz bandwidth rxNoiseFigure = 7; % dB rxNoisePower = -174 + 10*log10(bw) + rxNoiseFigure; rxGain = 0; % dBi rxAntennaHeight = 1.5; % m % Display SINR map if isvalid(f) close(f) end sinr(txs,'freespace', ... 'ReceiverGain',rxGain, ... 'ReceiverAntennaHeight',rxAntennaHeight, ... 'ReceiverNoisePower',rxNoisePower, ... 'MaxRange',isd, ... 'Resolution',isd/20)
Создайте 8 8 прямоугольную антенную решетку
Задайте антенную решетку, чтобы увеличить направленное усиление и пик увеличения значения SINR. Используйте Phased Array System Toolbox, чтобы создать 8 8 универсальный прямоугольный массив.
% Define array size nrow = 8; ncol = 8; % Define element spacing lambda = physconst('lightspeed')/fq; drow = lambda/2; dcol = lambda/2; % Define taper to reduce sidelobes dBdown = 30; taperz = chebwin(nrow,dBdown); tapery = chebwin(ncol,dBdown); tap = taperz*tapery.'; % Multiply vector tapers to get 8-by-8 taper values % Create 8-by-8 antenna array cellAntenna = phased.URA('Size',[nrow ncol], ... 'Element',antennaElement, ... 'ElementSpacing',[drow dcol], ... 'Taper',tap, ... 'ArrayNormal','x'); % Display radiation pattern f = figure; pattern(cellAntenna,fq);
Отобразите карту SINR для 8 8 антенной решетки
Визуализируйте SINR для сценария тестирования с помощью универсальной прямоугольной антенной решетки и модели распространения свободного пространства. Примените механическое устройство downtilt, чтобы осветить намеченный земельный участок вокруг каждого передатчика.
% Assign the antenna array for each cell transmitter, and apply downtilt. % Without downtilt, pattern is too narrow for transmitter vicinity. downtilt = 15; for tx = txs tx.Antenna = cellAntenna; tx.AntennaAngle = [tx.AntennaAngle; -downtilt]; end % Display SINR map if isvalid(f) close(f) end sinr(txs,'freespace', ... 'ReceiverGain',rxGain, ... 'ReceiverAntennaHeight',rxAntennaHeight, ... 'ReceiverNoisePower',rxNoisePower, ... 'MaxRange',isd, ... 'Resolution',isd/20)
Отобразите Карту SINR с помощью Ближней Модели Распространения
Визуализируйте SINR для сценария тестирования с помощью Ближней модели [3] распространения, который потеря пути к моделям для 5G городская микроячейка и сценарии макроячейки. Эта модель производит карту SINR, которая показывает уменьшаемые эффекты взаимодействия по сравнению с моделью распространения свободного пространства.
sinr(txs,'close-in', ... 'ReceiverGain',rxGain, ... 'ReceiverAntennaHeight',rxAntennaHeight, ... 'ReceiverNoisePower',rxNoisePower, ... 'MaxRange',isd, ... 'Resolution',isd/20)
Используйте прямоугольную антенну закрашенной фигуры в качестве элемента массива
Анализ выше использовал элемент антенны, который был задан с помощью уравнений, заданных в отчете [1] ITU-R. Элемент антенны должен обеспечить максимальное усиление 9.5 dBi и коэффициент защитного действия приблизительно 30 дБ. Теперь замените основанное на уравнении определение элемента антенны на действительную модель антенны использование стандартной полудлины волны прямоугольная микрополосковая антенна закрашенной фигуры. Элемент антенны обеспечивает усиление приблизительно 9 dBi, несмотря на то, что с более низким коэффициентом защитного действия.
% Design half-wavelength rectangular microstrip patch antenna patchElement = design(patchMicrostrip,fq); patchElement.Width = patchElement.Length; patchElement.Tilt = 90; patchElement.TiltAxis = [0 1 0]; % Display radiation pattern f = figure; pattern(patchElement,fq)
Отобразите Карту SINR с помощью Элемента Антенны Закрашенной фигуры в 8 8 Массив
Обновите карту SINR для Ближней модели [3] распространения с помощью антенны закрашенной фигуры в качестве элемента массива. Этот анализ должен получить эффект отклонений от основанной на уравнении спецификации антенны согласно отчету [1] ITU-R, включая:
Изменения в пиковом усилении
Изменения в симметрии шаблона с пространственными углами
Изменения в коэффициентах защитного действия
% Assign the patch antenna as the array element cellAntenna.Element = patchElement; % Display SINR map if isvalid(f) close(f) end sinr(txs,'close-in',... 'ReceiverGain',rxGain, ... 'ReceiverAntennaHeight',rxAntennaHeight, ... 'ReceiverNoisePower',rxNoisePower, ... 'MaxRange',isd, ... 'Resolution',isd/20)
Сводные данные
Этот пример показывает, как создать 5G городская тестовая среда макроячейки, состоящая из шестиугольной сети 19 сайтов ячейки, каждый содержащий 3 разбитых на секторы ячейки. Сигнал к интерференции плюс шумовое отношение (SINR) визуализируется на карте для различных антенн. Следующие наблюдения сделаны:
Прямоугольная антенная решетка может обеспечить большую направленность и поэтому достигнуть максимума значения SINR, чем использование одного элемента антенны.
Стоящие исходящим образом лепестки на периметре карты SINR представляют области, где меньше интерференции происходит. Более реалистический метод моделирования должен был бы реплицировать или повториться, сайты ячейки, чтобы расширить геометрию так, чтобы области периметра испытали подобную интерференцию как внутренние области.
Используя прямоугольную антенную решетку, модель распространения, которая оценивает увеличенную потерю пути также, приводит к выше значениям SINR из-за меньшей интерференции.
Два элемента антенны пробуют в антенной решетке: основанный на уравнении элемент с помощью Phased Array System Toolbox и элемента антенны закрашенной фигуры с помощью Antenna Toolbox. Они производят подобные карты SINR.
Ссылки
[1] Сообщите о ITU-R M. [IMT-2020. EVAL], "Инструкции для оценки радио-интерфейсных технологий для IMT-2020", 2017. https://www.itu.int/md/R15-SG05-C-0057
[2] Сообщите о ITU-R M.2135-1, "Инструкции для оценки радио-интерфейсных технологий для IMT-усовершенствованного", 2009. https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-M.2135-1-2009-PDF-E.pdf
[3] Sun, S., Взаимопонимание, T.S., Томас, T., Ghosh, A., Нгуен, H., Ковач, я., Родригес, я., Koymen, O. и Prartyka, A. "Расследование точности прогноза, чувствительности и устойчивости параметра крупномасштабных моделей пути к распространению потерь для радиосвязей 5G". Транзакции IEEE на Автомобильной Технологии, Vol 65, № 5, pp.2843-2860, май 2016.