在地形上规划5G固定无线接入链路

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本示例演示如何使用5G技术在地形上规划固定无线接入(FWA)链路。FWA是5G的一个用例，用于向有线服务不可用或性能不佳的家庭或企业提供宽带服务。FWA将基站连接到用户的固定无线终端[1]。在5G所需的高频率下，地形和路径损失损害，如树叶和天气，在决定链路成功方面发挥着重要作用。

该示例在郊区环境中创建了一个基站和多个接收器站点，将天线放置在中间地形上以实现视线可见性。利用天线工具箱和相控阵系统工具箱设计了一个具有高增益天线的多用户多输入多输出(MU-MIMO)系统。在存在路径损失损害的情况下，对两个频率的接收机场址的信号强度进行评估。

创建基站站点在28 GHz频段

在美国新罕布什尔州戈夫斯敦的南Uncanoonuc山创建一个发射机站点。这座山是为该地区服务的几个传输设施的所在地。定义发射机位置以表示以28 GHz和1瓦特功率发射的基站。在站点查看器中显示站点，并旋转视图以可视化站点与周围地形。

fq = 28 e9;% 28 GHztx = txsite (“名称”，“南Uncanoonuc (BS)”，．．.“人肉搜索”, 42.983723,．．.“经”, -71.587173,．．.“TransmitterPower”,1，．．.“TransmitterFrequency”fq);显示(tx)

创建接收站点

在该地区创建三个接收站点，并在地图上显示站点。每个接收站点表示用户的固定无线终端放置的站点。

rxBedford = rxsite (“名称”，“贝德福德镇中心”，．．.“人肉搜索”, 42.946193,．．.“经”, -71.516234);rxStA = rxsite (“名称”，“圣安瑟伦大学”，．．.“人肉搜索”, 42.987386,．．.“经”, -71.507475);rxGPD = rxsite (“名称”，“Goffstown警察部门”，．．.“人肉搜索”, 43.009335,．．.“经”, -71.539083);rxs = [rxBedford, rxStA, rxGPD];显示(rx)

实现视线链接可视性

5G通信面临的一个挑战是在地形和其他障碍存在的情况下实现成功连接，因为传播损耗在高频下会增加。为了达到最佳的传播条件，需要一条可见的视线路径。在这里考虑的郊区环境中，地形是实现视线可见的主要障碍。绘制基站和接收站之间的视线传播路径。视线计算包括地形，但不包括其他障碍，并显示三个接收点中的两个的视线受阻。

洛杉矶(tx, rx)

调整天线高度以达到视线范围内的能见度。

%在接收地点的建筑物上安装天线。设贝德福德6米电线杆%和St. Anselm网站，以及戈夫斯敦警察局的15米天线杆。rxBedford。AntennaHeight = 6;rxStA。AntennaHeight = 6;rxGPD。AntennaHeight = 15;%增加基站天线高度，直到所有接收站都达到视距tx.AntennaHeight = 10;而~所有(los(tx,rxs)) tx. antennaheight = tx. antennaheight + 5;结束%显示视线洛杉矶(tx, rx) disp (“天线视距要求高度:”+ tx.AntennaHeight +“m”）

天线视线要求高度:70米

创建8x12基站天线阵列

设计一个交叉偶极子天线单元的8 × 12天线阵，以产生高定向波束。该系统利用MU-MIMO[1]实现了5G概念。在地图上绘制辐射方向图，使用默认的天线方向，使天线阵列物理方向为东方向。

设计反射器支持的交叉偶极子天线txElement = reflectorCrossedDipoleElement (fq);定义数组大小ntxrow = 8;ntxcol = 12;定义元素间距λ= physconst (“光速”) / fq;卓尔精灵=λ/ 2;dcol =λ/ 2;%创建8 × 12天线阵列tx.Antenna =分阶段。(精“大小”, (ntxrow ntxcol),．．.“元素”txElement,．．.“ElementSpacing”,卓尔dcol]);%在地图上绘制图案模式(tx)

创建3 × 3接收器站点天线阵列

用反射器支持的垂直偶极子天线元件创建一个3 × 3的矩形阵列。在每个接收点，将阵列指向基站，并在地图上绘制辐射模式。

rxElement = reflectorDipoleElement (fq);定义数组大小nrxrow = 3;nrxcol = 3;定义元素间距λ= physconst (“光速”) / fq;卓尔精灵=λ/ 2;dcol =λ/ 2;创建天线阵列rxarray =分阶段。(精“大小”, (nrxrow nrxcol),．．.“元素”rxElement,．．.“ElementSpacing”,卓尔dcol]);为每个接收站点分配阵列，并指向基站为Rx = RXS Rx。天线= rxarray;rx。天线角度=角度(rx, tx);fq模式(rx)结束

利用波束形成技术预测自由空间信号强度

利用自由空间传播模型计算每个接收站点的接收信号强度。对于每个站点，引导基站波束以优化链路的方向性。自由空间所假定的有利条件会在接收点产生强信号，假设接收点的灵敏度为-84 dBm[2]。

steeringVector =分阶段。SteeringVector (“SensorArray”, tx.Antenna);为rx = rx%计算接收器位置的导向矢量[az, el] =角(tx, rx);sv = steeringVector (fq [az; el]);更新基站辐射图tx.Antenna.Taper =连词(sv);模式(tx)计算信号强度(dBm)党卫军= sigstrength (rx, tx,“freespace”）;disp (“信号强度为”+ rx。名称+”:“) disp (ss +“dBm”）结束

贝德福德市中心的信号强度:

-69.6743 dBm

圣安瑟姆学院的信号强度:

-68.0441 dBm

戈夫斯敦警察局的信号强度:

-66.3306 dBm

同时传输

不是将基站天线波束依次转向每个接收站点，而是生成一个可以同时发送到所有接收站点的单一波束。单束辐射产生向三个接收点的辐射瓣。同时发射时，每个接收点的信号强度下降，但仍满足接收灵敏度。

steeringVector =分阶段。SteeringVector (“SensorArray”, tx.Antenna);%计算接收器位置的导向矢量[az, el] =角(tx, rx);sv = steeringVector(fq，[az el]');更新基站辐射图tx.Antenna.Taper =连词(sum (sv, 2));模式(tx)计算信号强度(dBm)为Rx = RXS ss = sigstrength(Rx,tx，“freespace”）;disp (“信号强度为”+ rx。名称+”:“) disp (ss +“dBm”）结束

贝德福德市中心的信号强度:

-75.2896 dBm

圣安瑟姆学院的信号强度:

-72.2969 dBm

戈夫斯敦警察局的信号强度:

-72.0327 dBm

添加路径损失损失

由于树叶和天气的原因，信号会进一步衰减。使用Weissberger的[3]模型估计树叶造成的路径损失，并使用气体和雨水传播模型估计天气造成的信号强度。在存在路径损耗损害的情况下，估计的信号强度变弱，降至-84 dBm的接收机灵敏度以下。

%假设传播路径通过25米的树叶叶深=25；L=1.33*（（fq/1e9）^0.284）*叶深^0.588；% Weissberger模型disp (“由于树叶造成的路径损失:”+ L +“数据库”）

由于叶栅造成的路径损耗:22.7422 dB

%指定每个接收站点上的叶损失为静态SystemLoss为Rx = RXS Rx。SystemLoss = L;结束%计算信号强度与叶损失为Rx = RXS Rx。SystemLoss = L;党卫军= sigstrength (rx, tx,“freespace”）;disp (“信号强度为”+ rx。名称+”:“) disp (ss +“dBm”）结束

贝德福德市中心的信号强度:

-98.0318 dBm

圣安瑟姆学院的信号强度:

-95.0391 dBm

戈夫斯敦警察局的信号强度:

-94.775 dBm

计算信号强度，包括通过气体和雨水的传播。使用% "+"操作符，以添加传播模型以创建复合%模型包括两种大气效应。weatherpm = propagationModel (“气”) + propagationModel (“雨”）;为Rx = RXS ss = sigstrength(Rx,tx,weatherpm);disp (“信号强度为”+ rx。名称+”:“) disp (ss +“dBm”）结束

贝德福德市中心的信号强度:

-114.4897 dBm

圣安瑟姆学院的信号强度:

-110.4527 dBm

戈夫斯敦警察局的信号强度:

-107.3242 dBm

3.5 GHz频段的性能

3.5 GHz频段是5G无线[1]考虑中的一个重要频段。针对这个较低的频率重新设计MU-MIMO系统，以获得更有利的路径损耗，并达到所需的信号强度。

fq = 3.5 e9;% 3.5 GHz为基站创建天线阵列λ= physconst (“光速”) / fq;卓尔精灵=λ/ 2;dcol =λ/ 2;tx.TransmitterFrequency = fq;tx.Antenna =分阶段。(精“大小”, (ntxrow ntxcol),．．.“元素”reflectorCrossedDipoleElement (fq),．．.“ElementSpacing”,卓尔dcol]);为接收站点创建天线阵列λ= physconst (“光速”) / fq;卓尔精灵=λ/ 2;dcol =λ/ 2;rxarray =分阶段。(精“大小”, (nrxrow nrxcol),．．.“元素”reflectorDipoleElement (fq),．．.“ElementSpacing”,卓尔dcol),．．.“ArrayNormal”，“x”）;为Rx = RXS Rx。天线= rxarray;结束

除了计算每个接收点的信号强度外，还使用带有天气损害的Longley-Rice传播模型生成覆盖图。Longley-Rice模型，也被称为不规则地形模型(ITM)，根据衍射和其他由地形引起的损失来估计路径损失。Longley-Rice模型从20 MHz到20 GHz有效，因此可用于3.5 GHz，但不适用于28 GHz。

%计算接收器位置的导向矢量steeringVector =分阶段。SteeringVector (“SensorArray”, tx.Antenna);[az, el] =角(tx, rx);sv = steeringVector(fq，[az el]');更新基站辐射图tx.Antenna.Taper =连词(sum (sv, 2));模式(tx,“大小”, 4000)重新计算树叶造成的损失L = 1.33 * ((fq / 1 e9) ^ 0.284) * foliageDepth ^ 0.588;% Weissberger模型%指定每个接收站点上的叶损失为静态SystemLoss为Rx = RXS Rx。SystemLoss = L;结束disp (“由于树叶造成的路径损失:”+ L +“数据库”）

由于树叶造成的路径损耗:12.5996 dB

%在Longley-Rice繁殖模型中加入基于天气的路径损失点= propagationModel (“longley-rice”) + weatherpm;根据天线峰值增益和系统损耗计算接收机增益G = pattern(rxarray, fq);rxGain = max(G(:)) - L;覆盖(tx,．．.“PropagationModel”点,．．.“ReceiverGain”rxGain,．．.“ReceiverAntennaHeight”6．．.“SignalStrengths”, -84: -50)%计算信号强度与树叶损失和天气为ss = sigstrength(Rx,tx,pm);disp (“信号强度为”+ rx。名称+”:“) disp (ss +“dBm”）结束

贝德福德市中心的信号强度:

-69.9048 dBm

圣安瑟姆学院的信号强度:

-66.8941 dBm

戈夫斯敦警察局的信号强度:

-66.6094 dBm

总结

这个示例展示了如何在多用户郊区场景中使用5G技术在地形上规划固定无线接入链路。尽管视线传播是在地形上实现的，路径损耗损害使28 GHz载波频率不适合链路，尽管使用了高增益天线和波束形成。单独增加叶片损失会使信号强度降低至-84 dBm的接收器灵敏度以下，而增加天气损失则会进一步显著降低信号强度。要在这里考虑的数公里范围内成功实现连接，需要3.5 GHz的较低频率。因此，这个例子说明了高5G载波频率对共路径损耗损害的敏感性。

参考文献

[1]爱立信科技评论，5G大规模固定无线接入，Anders Furuskär, Kim Laraqui, Sibel Tombaz, Ala Nazari, Björn Skubic, Elmar Trojer, 2016年12月

[2]微波期刊，前5G和5G:毫米波链路会工作吗?， Andreas Roessler, 2017年12月

[3] John Seybold，《射频传播导论》，Wiley, 2005

函数元素= reflectorCrossedDipoleElement(fq, showAntenna)设计反射器支持的交叉偶极子天线元件如果nargin < 2 showAntenna = false;结束λ= physconst (“光速”) / fq;抵消=λ/ 50;gndspacing =λ/ 4;gndLength =λ;gndWidth =λ;设计交叉偶极子元件d1 =设计(偶极子,fq);d1。倾斜=(90、-45);d1。TiltAxis = [“y”，“z”];d2 = (d1)复印件;d2。倾斜= 45;d2。TiltAxis =“x”；%设计反射器r =设计(反射器,fq);r.Exciter = d1;r.GroundPlaneLength = gndLength;r.GroundPlaneWidth = gndWidth;r.Spacing = gndspacing;r.Tilt = 90;r.TiltAxis =“y”；如果showAntenna显示(右)结束形成由反射器支撑的交叉偶极子refarray = conformalArray;refarray.ElementPosition(1，:) = [gndspacing 0 0]; / /显示当前位置refarray.ElementPosition(2，:) = [gndspacing+offset 0 0];refarray。元素= {r, d2};refarray。参考=“喂”；refarray。phasesshift = [0 90];如果showAntenna显示(refarray);视图(65年,20)结束%创建自定义天线元素从图案(g, az, el) =模式(fq refarray);元素= phased.CustomAntennaElement;元素。AzimuthAngles =阿兹;元素。ElevationAngles = el;元素。MagnitudePattern = g;元素。PhasePattern = 0(大小(g));结束函数元素= reflectorDipoleElement (fq)设计反射器支持的偶极天线元件设计反射器和激励器，默认为垂直偶极元素=设计(反射器,fq);元素。励磁机=设计(element.Exciter fq);%倾斜天线元件在xy平面辐射，以沿x轴的镗孔元素。倾斜= 90;元素。TiltAxis =“y”；element.Exciter.Tilt = 90;element.Exciter.TiltAxis =“y”；结束