规划地形5G固定无线接入链路
本示例展示了如何使用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，可以为有线服务不可用或表现不佳的家庭或企业提供宽带服务。FWA将基站连接至用户的固定无线终端(FWT) [1］．在5G所需的高频率下，地形和路径损耗(如树叶和天气)在决定链路成功与否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站点，设置天线以实现在中间地形上的视线可见度。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。在存在路径损耗损伤的情况下，对接收点的信号强度进行两个频率的评估。
创建28ghz频段的基站站点
在美国新罕布什尔州戈夫斯敦的南Uncanoonuc山上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。定义发射机站点以表示发射频率为28 GHz、功率为1瓦的基站。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 = 28e9;% 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，并在地图上显示这些站点。每个接收站点表示用户固定无线终端所在的站点。
rxBedford = rxsite(“名称”，“贝德福德镇中心”，.．.“人肉搜索”, 42.946193,.．.“经”, -71.516234);rxStA = rxsite(“名称”，圣安瑟姆学院，.．.“人肉搜索”, 42.987386,.．.“经”, -71.507475);rxGPD = rxsite(“名称”，“高夫斯敦警察局”，.．.“人肉搜索”, 43.009335,.．.“经”, -71.539083);rxs = [rxBedford, rxStA, rxGPD];显示(rx)
实现视距链接可视性
5G通信的一个挑战是在存在地形和其他障碍的情况下实现成功的连接，因为在高频下传播损失会增加。最佳传播条件需要可见的视距路径。在这里考虑的郊区环境中，地形是实现视线能见度的主要障碍。绘制基站与接收点之间的视距传播路径。视距计算包括地形，但不包括其他障碍物，并揭示了三个接收点中的两个的视距障碍。
洛杉矶(tx, rx)
调整天线高度以达到视线能见度。
将天线放置在接收点的结构上。假设贝德福德有6米电线杆%和圣安塞尔姆遗址，以及戈夫斯敦警察局的15米天线杆。rxBedford。天线高度= 6;rxStA。天线高度= 6;rxGPD。AntennaHeight = 15;增加基站天线高度，直到与所有接收点达到视距tx.AntennaHeight = 10;而~all(los(tx,rxs)) tx. antennaheight = tx. antennaheight + 5;结束显示视线洛杉矶(tx, rx) disp ("视距所需天线高度:"天线高度+“m”）
天线视距高度要求:70米
创建8 × 12基站天线阵列
设计一个由交叉偶极子天线元件组成的8 × 12天线阵列，以产生高度定向的波束。该系统利用MU-MIMO实现了5G概念[1］．在地图上绘制辐射模式，使用默认天线方向，使天线阵列在物理上朝向东方。
设计反射背背交叉偶极天线txElement = reflectorCrossedDipoleElement(fq);定义数组大小Ntxrow = 8;Ntxcol = 12;定义元素间距Lambda = physconst(“光速”) / fq;Drow = lambda/2;Dcol = lambda/2;创建8 × 12天线阵列tx.Antenna =相控阵。(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乘3的接收站点天线阵列
创建一个3 × 3的矩形阵列从一个反射背垂直偶极子天线元件。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 =反射偶极元素(fq);定义数组大小Nrxrow = 3;Nrxcol = 3;定义元素间距Lambda = physconst(“光速”) / fq;Drow = lambda/2;Dcol = lambda/2;%创建天线阵列Rxarray =相控。(精“大小”, (nrxrow nrxcol),.．.“元素”rxElement,.．.“ElementSpacing”,卓尔dcol]);为每个接收站点分配数组，并指向基站为Rx = RXS Rx。天线= rxarray;rx。AntennaAngle =角度(rx, tx);fq模式(rx)结束
利用波束形成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指向性。自由空间假定的有利条件在接收点产生强信号，假设接收灵敏度为-84 dBm [2］．
steeringVector =相控。SteeringVector (“SensorArray”, tx.Antenna);为Rx = RXS计算接收点方向矢量[az,el] =角(tx,rx);sv = steeringVector(fq，[az;el]);更新基站辐射模式tx. antenna .锥度= conj(sv);模式(tx)计算信号强度(dBm)Ss = sigstrength(rx,tx，“freespace”）;disp (“信号强度在”+ rx。名称+”:“) disp(ss +“dBm”）结束
贝德福德市中心信号强度:
-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
不再将基站天线波束依次转向每个接收点，而是生成一个可以同时发送到所有接收点的单一波束。单束产生辐射叶朝向三个接收点。在同时传输的情况下，各接收点的信号强度下降，但仍能满足接收机的灵敏度。
steeringVector =相控。SteeringVector (“SensorArray”, tx.Antenna);计算接收点方向矢量[az,el] =角(tx,rxs);sv = steeringVector(fq，[az el]');更新基站辐射模式tx. antenna .锥度= conj(sum(sv,2));模式(tx)计算信号强度(dBm)为Rx = RXS ss = sigstrength(Rx,tx，“freespace”）;disp (“信号强度在”+ rx。名称+”:“) disp(ss +“dBm”）结束
贝德福德市中心信号强度:
-75.2896 dBm
圣安瑟姆学院的信号强度:
-72.2968 dBm
戈夫斯敦警察局的信号强度:
-72.0328 dBm
添加路径损耗减值
由于树叶和天气的原因，信号会进一步衰减。使用Weissberger的模型[3.]来估计由树叶引起的路径损失，并使用气体和降雨传播模型来估计由天气引起的信号强度。在存在路径损耗损伤的情况下，估计信号强度变弱，并下降到-84 dBm的接收机灵敏度以下。
假设传播路径穿过25米的树叶。foliageDepth = 25;L = 1.33*((fq/1e9)^0.284)*foliageDepth^0.588;d > % Weissberger模型14disp (“因树叶造成的路径损失:”+ l +“数据库”）
树叶引起的路径损耗:22.7422 dB
在每个接收站点上将叶子损失分配为静态SystemLoss为Rx = RXS Rx。SystemLoss = L;结束计算带树叶损失的信号强度为Rx = RXS Rx。SystemLoss = L;Ss = sigstrength(rx,tx，“freespace”）;disp (“信号强度在”+ rx。名称+”:“) disp(ss +“dBm”）结束
贝德福德市中心信号强度:
-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%“+”运算符添加传播模型以创建复合%模型，包括两个大气效应。weatherpm =传播模型(“气”+ propagationModel(“雨”）;为Rx = RXS ss = sigstrength(Rx,tx,weatherpm);disp (“信号强度在”+ rx。名称+”:“) disp(ss +“dBm”）结束
贝德福德市中心信号强度:
-114.4897 dBm
圣安瑟姆学院的信号强度:
-110.4526 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无线电正在考虑的一个重要频段[1］．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 = 3.5e9;% 3.5 GHz为基站创建天线阵列Lambda = physconst(“光速”) / fq;Drow = lambda/2;Dcol = lambda/2;tx. transmitfrequency = fq;tx.Antenna =相控阵。(精“大小”, (ntxrow ntxcol),.．.“元素”reflectorCrossedDipoleElement (fq),.．.“ElementSpacing”,卓尔dcol]);为接收站点创建天线阵列Lambda = physconst(“光速”) / fq;Drow = lambda/2;Dcol = lambda/2;Rxarray =相控。(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)，基于衍射和地形产生的其他损失来估计路径损失。Longley-Rice模型在20mhz到20ghz范围内有效，因此适用于3.5 GHz，但不适用于28 GHz。
计算接收点方向矢量steeringVector =相控。SteeringVector (“SensorArray”, tx.Antenna);[az,el] =角(tx,rxs);sv = steeringVector(fq，[az el]');更新基站辐射模式tx. antenna .锥度= conj(sum(sv,2));模式(tx,“大小”, 4000)%重新计算因树叶造成的损失L = 1.33*((fq/1e9)^0.284)*foliageDepth^0.588;d > % Weissberger模型14在每个接收站点上将叶子损失分配为静态SystemLoss为Rx = RXS Rx。SystemLoss = L;结束disp (“因树叶造成的路径损失:”+ l +“数据库”）
树叶引起的路径损耗:12.5996 dB
将基于天气的路径损失添加到Longley-Rice传播模型中pm =传播模型(“longley-rice”) + weatherpm;从峰值天线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)计算考虑树叶损失和天气的信号强度为Rx = RXS ss = sigstrength(Rx,tx,pm);disp (“信号强度在”+ rx。名称+”:“) disp(ss +“dBm”）结束
贝德福德市中心信号强度:
-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
本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。虽然在地形上实现了视距传播，但尽管使用了高增益天线和波束形成，28 GHz载波频率仍不适合链路。仅树叶损失的增加就使信号强度下降到接收器灵敏度-84 dBm以下，而天气损失的增加则显著地进一步降低了信号强度。在这里考虑的几公里范围内，需要3.5 GHz的较低频率才能实现成功的链路。因此，该示例说明了高5G载波频率对常见路径损耗损害的敏感性。
参考文献
[1]爱立信技术评论，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]微波杂志，Pre-5G和5G:毫米波链路有效吗?，安德烈亚斯·罗斯勒，2017年12月
[3] John Seybold，射频传播介绍，Wiley, 2005
函数元素= reflectorCrossedDipoleElement(fq, showAntenna)% reflectorcrossed偶极子元件设计反射背交叉偶极子天线元件如果nargin < 2 showAntenna = false;结束Lambda = physconst(“光速”) / fq;Offset = lambda/50;Gndspacing = lambda/4;gndLength = lambda;gndWidth = lambda;%设计交叉偶极子元素D1 =设计(偶极子，fq);d1。倾斜= [90，-45];d1。倾斜= [“y”，“z”];D2 = copy(d1);d2。倾斜= 45;d2。TiltAxis =“x”；%设计反射器R = design(reflector,fq);r.励磁器= d1;r.GroundPlaneLength = gndLength;r.GroundPlaneWidth = gndWidth;r.Spacing = gndspacing;r.倾斜= 90;r.TiltAxis =“y”；如果showAntenna显示(右)结束%形成交叉偶极子背面反射refarray = conformalArray;refarray.ElementPosition(1，:) = [gndspacing 0 0];refarray.ElementPosition(2，:) = [gndspacing+offset 0 0];refarray。元素= {r, d2};refarray。参考=“喂”；refarray。移相= [0 90];如果showAntenna显示(refarray);视图(65年,20)结束从图案创建自定义天线元素[g,az,el] = pattern(refarray,fq);element = phase . customantennaelement;元素。AzimuthAngles = az;元素。仰角= el;元素。MagnitudePattern = g;元素。PhasePattern =零(大小(g));结束函数元素= reflectorDipoleElement(fq)设计反射器支持的偶极子天线元件%设计反射器和激励器，默认为垂直偶极子Element = design(reflector,fq);元素。励磁器= design(element.励磁器，fq);%倾斜天线元件，使其在xy平面内辐射，沿x轴向元素。倾斜= 90;元素。TiltAxis =“y”；element.励磁器.倾斜= 90;element.Exciter.TiltAxis =“y”；结束
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功能
对象
txsite|rxsite|分阶段。URA所言(相控阵系统工具箱)|分阶段。SteeringVector(相控阵系统工具箱)
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