Планирование 5G фиксированная ссылка беспроводного доступа по ландшафту

Этот пример использует:

В этом примере показано, как запланировать ссылку фиксированного беспроводного доступа (FWA) по ландшафту с помощью технологий 5G. FWA является вариантом использования для 5G, чтобы включить широкополосные услуги в дома или предприятия, где услуги проводной связи или недоступны или неблагополучны. FWA соединяет базовую станцию с фиксированным беспроводным терминалом (FWT) пользователя [1]. На высоких частотах, требуемых для 5G, ландшафт и ухудшения потери на пути как листва и погода играют важную роль в определении успеха ссылки.

Пример создает базовую станцию и несколько сайтов приемника в пригородной среде, располагая антенны, чтобы достигнуть видимости угла обзора по промежуточному ландшафту. Многопользовательское несколько - вход, несколько - выводят (MU-MIMO), системой с антеннами с высоким коэффициентом усиления является созданный с использованием Antenna Toolbox™ и Phased Array System Toolbox™. Сила сигнала на сайтах приемника оценена для двух частот в присутствии ухудшений потери на пути.

Создайте сайт базовой станции в полосе на 28 ГГц

Создайте ретранслятор на Южной горе Анкэнунук в Гоффстауне, Нью-Гэмпшире, США. Гора является родиной нескольких средств передачи, которые служат области. Задайте ретранслятор, чтобы представлять передачу базовой станции на уровне 28 ГГц с 1 ваттом мощности. Покажите сайт в Средстве просмотра Сайта и вращайте представление, чтобы визуализировать сайт с окружающим ландшафтом.

fq = 28e9; % 28 GHz

tx = txsite("Name","South Uncanoonuc (BS)", ...
    "Latitude",42.983723, ...
    "Longitude",-71.587173, ...
    "TransmitterPower",1, ...
    "TransmitterFrequency",fq);
show(tx)

Создайте сайты приемника

Создайте три сайта приемника в области и покажите сайты на карте. Каждый сайт приемника представляет сайт, куда фиксированный беспроводной терминал пользователя помещается.

rxBedford = rxsite("Name","Bedford Town Center", ...
    "Latitude",42.946193, ...
    "Longitude",-71.516234);

rxStA = rxsite("Name","St. Anselm College", ...
    "Latitude",42.987386, ...
    "Longitude",-71.507475);

rxGPD = rxsite("Name","Goffstown Police Dept", ...
    "Latitude",43.009335, ...
    "Longitude",-71.539083);

rxs = [rxBedford, rxStA, rxGPD];
show(rxs)

Достигните видимости ссылки угла обзора

Проблема для коммуникации 5G достигает успешной ссылки в присутствии ландшафта и других препятствий, начиная с увеличения распространения потерь на высокой частоте. Видимый путь угла обзора требуется для оптимальных условий распространения. В пригородной среде, рассмотренной здесь, ландшафт является доминирующим препятствием достижению видимости угла обзора. Постройте пути к распространению угла обзора между сайтами приемника и базовой станцией. Вычисление угла обзора включает ландшафт, но никакие другие препятствия и не показывают затрудненный угол обзора с двумя из трех сайтов приемника.

los(tx,rxs)

Регулируйте высоты антенны для того, чтобы достигнуть видимости угла обзора.

% Place antennas on structures at receiver sites. Assume 6 m utility poles for Bedford
% and St. Anselm sites, and 15 m antenna pole at Goffstown Police Department.
rxBedford.AntennaHeight = 6;
rxStA.AntennaHeight = 6;
rxGPD.AntennaHeight = 15;

% Increase height of antenna at base station until line-of-sight is achieved with all receiver sites
tx.AntennaHeight = 10;
while ~all(los(tx,rxs))
    tx.AntennaHeight = tx.AntennaHeight + 5;
end

% Display line-of-sight
los(tx,rxs)
disp("Antenna height required for line-of-sight: " + tx.AntennaHeight + " m")

Antenna height required for line-of-sight: 70 m

Создайте 8 12 антенную решетку базовой станции

Спроектируйте 8 12 антенную решетку пересеченных дипольных антенных элементов, чтобы сгенерировать высоко направляющий луч. Эта система реализует MU-MIMO [1] использования концепции 5G. Постройте диаграмму направленности на карте, с помощью ориентации антенны по умолчанию так, чтобы антенная решетка была физически ориентирована в восточном направлении.

% Design reflector-backed crossed dipole antenna
txElement = reflectorCrossedDipoleElement(fq);

% Define array size
ntxrow = 8;
ntxcol = 12;

% Define element spacing
lambda = physconst("lightspeed")/fq;
drow = lambda/2;
dcol = lambda/2;

% Create 8-by-12 antenna array
tx.Antenna = phased.URA("Size",[ntxrow ntxcol], ...
    "Element",txElement, ...
    "ElementSpacing",[drow dcol]);

% Plot pattern on the map
pattern(tx)

Создайте 3х3 антенную решетку сайта приемника

Создайте 3х3 прямоугольный массив из поддержанного отражателем вертикального дипольного антенного элемента. На каждом сайте приемника укажите массив к базовой станции и постройте диаграмму направленности на карте.

rxElement = reflectorDipoleElement(fq);

% Define array size
nrxrow = 3;
nrxcol = 3;
    
% Define element spacing
lambda = physconst("lightspeed")/fq;
drow = lambda/2;
dcol = lambda/2;

% Create antenna array
rxarray = phased.URA("Size",[nrxrow nrxcol], ...
    "Element",rxElement, ...
    "ElementSpacing",[drow dcol]);

% Assign array to each receiver site and point toward base station
for rx = rxs
    rx.Antenna = rxarray;
    rx.AntennaAngle = angle(rx, tx);
    pattern(rx,fq)
end

Предскажите силу сигнала в свободном пространстве с Beamforming

Используйте модель распространения свободного пространства, чтобы вычислить полученную силу сигнала для каждого сайта приемника. Для каждого сайта регулируйте луч базовой станции, чтобы оптимизировать направленность для ссылки. Благоприятные условия, принятые свободным пространством, производят мощные сигналы на сайтах приемника, принимая чувствительность приемника-84 dBm [2].

steeringVector = phased.SteeringVector("SensorArray",tx.Antenna);
for rx = rxs
    % Compute steering vector for receiver site
    [az,el] = angle(tx,rx);
    sv = steeringVector(fq,[az;el]);
    
    % Update base station radiation pattern
    tx.Antenna.Taper = conj(sv);
    pattern(tx)
    
    % Compute signal strength (dBm)
    ss = sigstrength(rx,tx,"freespace");
    disp("Signal strength at " + rx.Name + ":")
    disp(ss + " dBm")
end

Signal strength at Bedford Town Center:

-69.6743 dBm

Signal strength at St. Anselm College:

-68.0441 dBm

Signal strength at Goffstown Police Dept:

-66.3306 dBm

Одновременная передача

Вместо того, чтобы регулировать луч антенны базовой станции на каждый сайт приемника в свою очередь, сгенерируйте один луч, который может передать на все сайты приемника одновременно. Один луч генерирует лепестки излучения к трем сайтам приемника. Отбрасывания силы сигнала на каждом сайте приемника с одновременной передачей, но все еще встречают чувствительности приемника.

steeringVector = phased.SteeringVector("SensorArray",tx.Antenna);

% Compute steering vector for receiver site
[az,el] = angle(tx,rxs);
sv = steeringVector(fq,[az el]');

% Update base station radiation pattern
tx.Antenna.Taper = conj(sum(sv,2));
pattern(tx)

% Compute signal strength (dBm)
for rx = rxs
    ss = sigstrength(rx,tx,"freespace");
    disp("Signal strength at " + rx.Name + ":")
    disp(ss + " dBm")
end

Signal strength at Bedford Town Center:

-75.2896 dBm

Signal strength at St. Anselm College:

-72.2969 dBm

Signal strength at Goffstown Police Dept:

-72.0327 dBm

Добавьте ухудшения потери на пути

Дополнительное затухание сигнала происходит из-за листвы и погоды. Используйте модель [3] Вайссбергера, чтобы оценить потерю на пути из-за листвы и использовать газ и модели распространения дождя, чтобы оценить силу сигнала из-за погоды. В присутствии ухудшений потери на пути предполагаемая сила сигнала становится слабой и опускается ниже чувствительности приемника-84 dBm.

% Assume that propagation path travels through 25 m of foliage
foliageDepth = 25;
L = 1.33*((fq/1e9)^0.284)*foliageDepth^0.588; % Weissberger model for d > 14
disp("Path loss due to foliage: " + L + " dB")

Path loss due to foliage: 22.7422 dB

% Assign foliage loss as static SystemLoss on each receiver site
for rx = rxs
    rx.SystemLoss = L;
end

% Compute signal strength with foliage loss
for rx = rxs
    rx.SystemLoss = L;
    ss = sigstrength(rx,tx,"freespace");
    disp("Signal strength at " + rx.Name + ":")
    disp(ss + " dBm")
end

Signal strength at Bedford Town Center:

-98.0318 dBm

Signal strength at St. Anselm College:

-95.0391 dBm

Signal strength at Goffstown Police Dept:

-94.775 dBm

% Compute signal strength including propagation through gas and rain. Use
% the "+" operator to add the propagation models to create a composite
% model including both atmospheric effects.
weatherpm = propagationModel("gas") + propagationModel("rain");
for rx = rxs
    ss = sigstrength(rx,tx,weatherpm);
    disp("Signal strength at " + rx.Name + ":")
    disp(ss + " dBm")
end

Signal strength at Bedford Town Center:

-114.4897 dBm

Signal strength at St. Anselm College:

-110.4527 dBm

Signal strength at Goffstown Police Dept:

-107.3242 dBm

Эффективность в полосе на 3,5 ГГц

Полоса на 3,5 ГГц является видной полосой на рассмотрении для радио [1] 5G. Перепроектируйте систему MU-MIMO для этой более низкой частоты, чтобы достигнуть более благоприятной потери на пути и достигнуть необходимой силы сигнала.

fq = 3.5e9; % 3.5 GHz

% Create antenna array for base station
lambda = physconst("lightspeed")/fq;
drow = lambda/2;
dcol = lambda/2;
tx.TransmitterFrequency = fq;
tx.Antenna = phased.URA("Size",[ntxrow ntxcol], ...
    "Element",reflectorCrossedDipoleElement(fq), ...
    "ElementSpacing",[drow dcol]);

% Create antenna array for receiver sites
lambda = physconst("lightspeed")/fq;
drow = lambda/2;
dcol = lambda/2;
rxarray = phased.URA("Size",[nrxrow nrxcol], ...
    "Element",reflectorDipoleElement(fq), ...
    "ElementSpacing",[drow dcol], ...
    "ArrayNormal","x");
for rx = rxs
    rx.Antenna = rxarray;
end

В дополнение к вычислению силы сигнала на каждом сайте приемника сгенерируйте карту покрытия с помощью модели распространения Лонгли-Райса с погодными ухудшениями. Модель Лонгли-Райса, которая также известна как Неправильную модель ландшафта (ITM), оценивает потерю на пути на основе дифракции и другие потери, выведенные из ландшафта. Модель Лонгли-Райса допустима от 20 МГц до 20 ГГц и поэтому доступна для 3,5 ГГц, но не для 28 ГГц.

% Compute steering vector for receiver site
steeringVector = phased.SteeringVector("SensorArray",tx.Antenna);
[az,el] = angle(tx,rxs);
sv = steeringVector(fq,[az el]');

% Update base station radiation pattern
tx.Antenna.Taper = conj(sum(sv,2));
pattern(tx,'Size',4000)
    
% Recompute loss due to foliage
L = 1.33*((fq/1e9)^0.284)*foliageDepth^0.588; % Weissberger model for d > 14

% Assign foliage loss as static SystemLoss on each receiver site
for rx = rxs
    rx.SystemLoss = L;
end
disp("Path loss due to foliage: " + L + " dB")

Path loss due to foliage: 12.5996 dB

% Add weather-based path loss to the Longley-Rice propagation model
pm = propagationModel('longley-rice') + weatherpm;

% Compute receiver gain from peak antenna gain and system loss
G = pattern(rxarray, fq);
rxGain = max(G(:)) - L;

coverage(tx, ...
    'PropagationModel',pm, ...
    'ReceiverGain',rxGain, ...
    'ReceiverAntennaHeight',6, ...
    'SignalStrengths',-84:-50)

% Compute signal strength with foliage loss and weather
for rx = rxs
    ss = sigstrength(rx,tx,pm);
    disp("Signal strength at " + rx.Name + ":")
    disp(ss + " dBm")
end

Signal strength at Bedford Town Center:

-69.9048 dBm

Signal strength at St. Anselm College:

-66.8941 dBm

Signal strength at Goffstown Police Dept:

-66.6094 dBm

Сводные данные

В этом примере показано, как запланировать фиксированную ссылку беспроводного доступа по ландшафту с помощью технологий 5G в многопользовательском пригородном сценарии. В то время как распространение угла обзора достигается по ландшафту, ухудшения потери на пути представляют несущую частоту на 28 ГГц, неподходящую для ссылок несмотря на использование антенн с высоким коэффициентом усиления и beamforming. Сложение одной только потери листвы пропускает силу сигнала ниже чувствительности приемника-84 dBm, и сложение погодной потери значительно пропускает его далее. Более низкая частота 3,5 ГГц требуется, чтобы достигать успешных ссылок в областях значений мультикилометра, рассмотренных здесь. В результате этот пример иллюстрирует чувствительность высоких несущих частот 5G к общим ухудшениям потери на пути.

Ссылки

[1] Технологический Анализ Ericsson, Закрепленный беспроводной доступ в крупном масштабе с 5G, Андерсом Фураскэром, Кимом Ларакуи, Сибелью Томбэз, Алабама Nazari, Бьорн Скубик, Elmar Trojer, декабрь 2016

[2] Микроволновый Журнал, пред5G и 5G: mmWave Соединит работу?, Андреас Ресслер, декабрь 2017

[3] Джон Сеиболд, введение в распространение RF, Вайли, 2005

function element = reflectorCrossedDipoleElement(fq, showAntenna)
%reflectorCrossedDipoleElement   Design reflector-backed crossed dipole antenna element

if nargin < 2
    showAntenna = false;
end

lambda = physconst("lightspeed")/fq;
offset = lambda/50;
gndspacing = lambda/4;
gndLength = lambda;
gndWidth = lambda;

% Design crossed dipole elements
d1 = design(dipole,fq);
d1.Tilt = [90,-45];
d1.TiltAxis = ["y","z"];
d2 = copy(d1);
d2.Tilt = 45;
d2.TiltAxis = "x";

% Design reflector
r = design(reflector,fq);
r.Exciter = d1;
r.GroundPlaneLength = gndLength;
r.GroundPlaneWidth = gndWidth;
r.Spacing = gndspacing;
r.Tilt = 90;
r.TiltAxis = "y";
if showAntenna
    show(r)
end

% Form the crossed dipole backed by reflector
refarray = conformalArray;
refarray.ElementPosition(1,:) = [gndspacing 0 0];
refarray.ElementPosition(2,:) = [gndspacing+offset 0 0];
refarray.Element = {r, d2};
refarray.Reference = "feed";
refarray.PhaseShift = [0 90];
if showAntenna
    show(refarray);
    view(65,20)
end

% Create custom antenna element from pattern
[g,az,el] = pattern(refarray,fq);
element = phased.CustomAntennaElement;
element.AzimuthAngles = az;
element.ElevationAngles = el;
element.MagnitudePattern = g;
element.PhasePattern = zeros(size(g));
end

function element = reflectorDipoleElement(fq)
%reflectorDipoleElement   Design reflector-backed dipole antenna element

% Design reflector and exciter, which is vertical dipole by default
element = design(reflector,fq);
element.Exciter = design(element.Exciter,fq);

% Tilt antenna element to radiate in xy-plane, with boresight along x-axis
element.Tilt = 90;
element.TiltAxis = "y";
element.Exciter.Tilt = 90;
element.Exciter.TiltAxis = "y";
end

Смотрите также

Функции

los | pattern

Объекты

txsite | rxsite | phased.URA (Phased Array System Toolbox) | phased.SteeringVector (Phased Array System Toolbox)

Документация