Этот пример показывает, как создать 5G окружение тестирования городских макрокамер и визуализировать отношение сигнал-интерференция-плюс шум (SINR) на карте. Тестовое окружение основано на руководствах, определенных в Отчете ITU-R M. [IMT-2020.EVAL] [1] для оценки 5G радиотехнологий. Этот отчет определяет несколько тестовых окружений и сценариев использования в разделе 8.2. Тестовое окружение в этом примере основано на городском окружении с высокой плотностью пользователя и нагрузками на трафик с акцентом на пешеходных и транспортных пользователях (Dense Urban-eMBB). Тестовое окружение включает сеть шестиугольных камер, а также пользовательскую антенную решетку, которая реализована с использованием Phased Array System Toolbox™.
В руководствах по тестовому окружению для 5G технологий повторно используется размещение тестовой сети для 4G технологий, определенных в разделе 8.3 Отчета ITU-R M.2135-1 [2], который показан ниже. Размещение состоит из 19 участков, помещенных в шестиугольное размещение, каждый с 3 камерами. Расстояние между соседними сайтами является межсайтовым расстоянием (ISD) и зависит от сценария использования тестирования. Для тестового окружения Dense Urban-eMBB, ISD составляет 200 м.
Создайте местоположения, соответствующие узлам камеры в размещении, используя MathWorks Glasgow в качестве расположения центра.
% 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 камера имеет три передатчика, соответствующих каждой камере. Создайте массивы, чтобы задать имена, широты, долготы и углы антенны каждого передатчика камеры.
% 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 сайты передатчика, используя параметры, определенные выше, а также параметры конфигурации, определенные для Dense Urban-eMBB. Запустите Site Viewer и установите изображения карты с помощью Basemap свойство. Также откройте средство выбора основной карты в Средство Просмотра, нажав вторую кнопку справа. Выберите «Топография», чтобы выбрать основную 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 [1] ITU-R задает характеристики антенны для антенн базовой станции. Антенна моделируется как имеющая одну или несколько панелей антенны, где каждая панель имеет один или более антенных элементов. Используйте Phased Array System Toolbox, чтобы реализовать шаблон антенного элемента, 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);
Визуализируйте SINR для сценария тестирования с помощью одного антенного элемента и модели распространения свободного пространства. Для каждого местоположения на карте в области значений сайтов передатчика источником сигнала является камера с наибольшей силой сигнала, и все другие камеры являются источниками интерференции. Области без цвета в сети указывают области, где SINR ниже порога 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)
Задайте антенную решетку, чтобы увеличить направленный коэффициент усиления и увеличить пиковые значения SINR. Используйте Phased Array System Toolbox, чтобы создать однородный прямоугольный массив 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);
Визуализируйте SINR для сценария тестирования с помощью равномерной прямоугольной антенной решетки и модели распространения свободного пространства. Нанесите механический шток вниз, чтобы осветить предполагаемую зону заземления 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)
Визуализируйте SINR для сценария тестирования с помощью модели распространения Close-In [3], которая моделирует потерю пути для 5G городских сценариев микрокамер и макрокамер. Эта модель создает карту SINR, которая показывает уменьшенные эффекты интерференции по сравнению с моделью распространения свободного пространства.
sinr(txs,'close-in', ... 'ReceiverGain',rxGain, ... 'ReceiverAntennaHeight',rxAntennaHeight, ... 'ReceiverNoisePower',rxNoisePower, ... 'MaxRange',isd, ... 'Resolution',isd/20)
В приведенном выше анализе использовался антенный элемент, который был определен с помощью уравнений, заданных в отчете ITU-R [1]. Антенный элемент должен обеспечивать максимальный коэффициент усиления 9,5 дБи и отношение «спереди» к «назад» приблизительно 30 дБ. Теперь замените основанное на уравнении определение антенного элемента на действительную модель антенны с помощью стандартной полуволны прямоугольной микрополоски закрашенной фигуры антенны. Антенный элемент обеспечивает коэффициент усиления около 9 дБи, хотя и с более низким отношением передней и задней сторон.
% 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 закрашенную фигуру антенну в качестве элемента массива. Этот анализ должен охватывать эффект отклонений от спецификации антенны на основе уравнений в соответствии с отчетом ITU-R [1], включая:
Изменения пикового усиления
Изменения симметрии шаблона с пространственными углами
Изменения коэффициентов «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 показов, как создать 5G тест городской макрокамеры окружения, состоящий из шестиугольной сети из 19 сайтов камеры, каждый из которых содержит 3 секторированных камеры. Отношение сигнал/помеха плюс шум (SINR) визуализируется на карте для различных антенн. Сделаны следующие наблюдения:
Прямоугольная антенная решетка может обеспечить большую направленность и, следовательно, пиковые значения SINR, чем использование одного антенного элемента.
Обращенные наружу лепестки по периметру карты SINR представляют области, где происходит меньше помех. Более реалистичным методом моделирования было бы воспроизведение или обертывание вокруг участков камер для расширения геометрии так, чтобы области периметра испытывали такие же интерференции, как и внутренние области.
Используя прямоугольную антенную решетку, модель распространения, которая оценивает увеличение потерь пути, также приводит к более высоким значениям SINR из-за меньшей интерференции.
В антенную решетку пробуются два антенных элементов: элемент на основе уравнений с использованием Phased Array System Toolbox и закрашенной фигуры антенного элемента с использованием Antenna Toolbox. Они производят аналогичные карты SINR.
[1] Отчет ITU-R M. [IMT-2020.EVAL], «Руководство по оценке технологий радиоинтерфейсов для IMT-2020,» 2017. https://www.itu.int/md/R15-SG05-C-0057
[2] Отчет по M.2135-1 МСЭ-Р «Руководство по оценке технологий радиоинтерфейсов 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 предсказания, чувствительности и стабильности параметра крупномасштабных моделей пути распространения потерь для 5G радиосвязи». Транзакции IEEE по автомобильной технологии, том 65, No.5, стр. 2843-2860, май 2016.
