В этом примере показано, как создать 5G городскую среду тестирования макроячейки и визуализировать отношение сигнал-помеха-плюс-шум (SINR) на карте. Тестовая среда основана на руководящих принципах, определенных в отчете ITU-R M. [IMT-2020.EVAL] [1] для оценки 5G радиотехнологий. Этот отчет определяет несколько тестовых сред и сценариев использования в разделе 8.2. Тестовая среда в этом примере основана на городской среде с высокой плотностью пользователей и нагрузкой на движение, ориентированной на пешеходов и пользователей транспортных средств (Dense Urban-eMBB). Тестовая среда включает в себя шестиугольную сотовую сеть, а также пользовательскую антенную решетку, которая реализуется с использованием системы фазированной решетки Toolbox™.
В руководстве по тестовой среде для 5G технологий повторно используется схема тестовой сети для 4G технологий, определенная в разделе 8.3 отчета ITU-R M.2135-1 [2], который показан ниже. Макет состоит из 19 участков, размещенных в шестиугольном макете, каждый с 3 ячейками. Расстояние между соседними площадками является межузловым расстоянием (ISD) и зависит от сценария использования теста. Для среды тестирования Dense Urban-eMBB ISD составляет 200 м.
Создайте местоположения, соответствующие станциям сотовой связи в структуре сети, используя 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;
Каждая станция сотовой связи имеет три передатчика, соответствующих каждой соте. Создайте массивы для определения имен, широт, долгот и углов 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
Создание участков передатчика с использованием параметров, определенных выше, а также параметров конфигурации, определенных для Dense Urban-eMBB. Запустите Site Viewer и задайте изображение карты с помощью Basemap собственность. Можно также открыть окно выбора базовой карты в средстве просмотра сайтов, нажав вторую кнопку справа. Выберите «Топографическая», чтобы выбрать базовую карту с топографией, 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 = 'topographic';
Раздел 8.5 отчета ITU-R [1] определяет характеристики антенны для антенн базовой станции. Антенна моделируется как имеющая одну или более антенных панелей, где каждая панель имеет один или более антенных элементов. Используйте панель инструментов системы фазированной решетки для реализации диаграммы направленности антенных элементов, определенной 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);
Визуализация SINR для тестового сценария с использованием одного антенного элемента и модели распространения свободного пространства. Для каждого местоположения на карте в пределах диапазона участков передатчика источником сигнала является ячейка с наибольшим уровнем сигнала, а все остальные ячейки являются источниками помех. Области без цвета в сети указывают области, где SINR ниже порогового значения по умолчанию -5 дБ.
% 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)
Определите антенную решетку для увеличения направленного усиления и увеличения пиковых значений SINR. Используйте панель инструментов системы фазированных массивов для создания однородного прямоугольного массива 8 на 8.
% 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);
Визуализация SINR для тестового сценария с использованием однородной прямоугольной антенной решетки и модели распространения свободного пространства. Используйте механический нисходящий наклон для освещения заданной зоны земли вокруг каждого датчика.
% 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)
Визуализация SINR для тестового сценария с использованием модели распространения Close-In [3], которая моделирует потери тракта для 5G городских сценариев микроячейки и макроячейки. Эта модель создает карту SINR, которая показывает уменьшенные эффекты пересечений по сравнению с моделью распространения свободного пространства.
sinr(txs,'close-in', ... 'ReceiverGain',rxGain, ... 'ReceiverAntennaHeight',rxAntennaHeight, ... 'ReceiverNoisePower',rxNoisePower, ... 'MaxRange',isd, ... 'Resolution',isd/20)
В вышеприведенном анализе использовался антенный элемент, который был определен с помощью уравнений, указанных в отчете ITU-R [1]. Антенный элемент должен обеспечивать максимальный коэффициент усиления 9,5 дБи и отношение спереди/сзади приблизительно 30 дБ. Теперь замените определение антенного элемента на основе уравнения реальной антенной моделью, используя стандартную полуволновую прямоугольную микрополосковую патч-антенну. Антенный элемент обеспечивает коэффициент усиления около 9 дБи, хотя и с меньшим отношением спереди/сзади.
% 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)
Обновите карту SINR для модели распространения Close-In [3], используя патч-антенну в качестве элемента решетки. Этот анализ должен отражать влияние отклонений от спецификации антенны на основе уравнения согласно отчету ITU-R [1], включая:
Изменения пикового коэффициента усиления
Вариации симметрии рисунка с пространственными углами
Различия в соотношениях «спереди-назад»
% 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)
Этот пример показывает, как построить 5G городскую среду для тестирования макроячейки, состоящую из гексагональной сети из 19 сотовых станций, каждая из которых содержит 3 секторные клетки. Отношение сигнал-помеха-плюс-шум (SINR) визуализируется на карте для различных антенн. Были сделаны следующие замечания:
Прямоугольная антенная решетка может обеспечить большую направленность и, следовательно, пиковые значения SINR, чем использование одного антенного элемента.
Обращенные наружу лепестки на периметре карты SINR представляют области, где возникает меньше помех. Более реалистичным способом моделирования было бы тиражирование или окружение станций сотовой связи для расширения геометрии таким образом, чтобы зоны периметра испытывали такие же помехи, что и внутренние зоны.
Используя прямоугольную антенную решетку, модель распространения, которая оценивает увеличенные потери в тракте, также приводит к более высоким значениям SINR из-за меньшего количества помех.
В антенной решетке пробуются два антенных элемента: элемент на основе уравнений с помощью Phased Array System Toolbox и элемент патч-антенны с помощью Antenna Toolbox. Они создают аналогичные карты SINR.
[1] Доклад ITU-R M. [IMT-2020.EVAL], «Руководство по оценке технологий радиоинтерфейса для IMT-2020,» 2017. https://www.itu.int/md/R15-SG05-C-0057
[2] Доклад ITU-R M.2135-1, «Руководство по оценке технологий радиоинтерфейса для IMT-Advanced», 2009. https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-M.2135-1-2009-PDF-E.pdf
[3] Солнце, S., Взаимопонимание, T.S., Томас, T., Ghosh, A., Нгуен, H., Ковач, я., Родригес, я., Koymen, O. и Prartyka, A. «Расследование точности прогноза, чувствительности и стабильности параметра крупномасштабных моделей пути распространения потерь для 5G радиосвязи». Сделки IEEE по автомобильной технологии, том 65, No.5, стр. 2843-2860, май 2016 г.