规划5G固定无线接入链路跨越地形
本例展示了如何使用5G技术在地形上规划固定无线接入(FWA)链路。FWA是5G向家庭或企业提供宽带服务的用例，这些家庭或企业的有线服务要么不可用，要么表现不佳。FWA连接基站到用户的固定无线终端(FWT) [1］．在5G所需的高频率下，地形和路径损失损害，如树叶和天气，在决定连接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站点，将天线放置在中间地形上以实现视线可见度。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。在存在路径损耗损害的情况下，对接收点的信号强度进行评估。
在28 GHz频段创建基站站点
在美国新罕布什尔州戈夫斯敦的南Uncanoonuc山上创建一个发射站。这座山是多个为该地区服务的传输设施的所在地。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，并旋转视图以使站点与周围地形可视化。
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
在该区域创建三个接收站点，并在地图上显示这些站点。每个接收点表示放置用户固定无线终端的一个点。
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”，“戈夫斯敦警察局”，.．.“人肉搜索”, 43.009335,.．.“经”, -71.539083);rxs = [rxBedford, rxStA, rxGPD];显示(rx)
实现视距链接可见性
5G通信的一个挑战是在地形和其他障碍存在的情况下成功连接，因为在高频时传播损失会增加。一个可见的视线路径是最佳传播条件所必需的。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。绘制基站与接收站点之间的视距传播路径。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，以达到视线能见度。
将天线放置在接收点的结构上。假设贝德福德的电线杆为6米%和St. Anselm站点，以及戈夫斯敦警察局15米的天线杆。rxBedford。AntennaHeight = 6;rxStA。AntennaHeight = 6;rxGPD。AntennaHeight = 15;增加基站天线的高度，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 (“视线所需天线高度:”+ tx.AntennaHeight +“m”）
视线所需天线高度:70米
创建8 × 12基站天线阵列
设计一个由交叉偶极子天线单元组成的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5G概念[1］．在地图上绘制辐射图，使用默认天线方向，使天线阵列的物理方向是东方方向。
设计反射背交叉偶极子天线。txElement = reflectorCrossedDipoleElement(fq);定义数组大小Ntxrow = 8;Ntxcol = 12;定义元素间距Lambda = physconst“光速”) / fq;Drow = /2;Dcol = lambda/2;创建8 × 12天线阵列天线=相控。(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的接收站点天线阵列
从反射器支持的垂直偶极子天线单元创建一个3乘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Lambda = physconst“光速”) / fq;Drow = /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]);分配阵列到每个接收站点并指向基站为Rx = RXS Rx。天线= rxarray;rx。AntennaAngle = angle(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，假定接收灵敏度为-84 dBm [2］．
steeringVector =相控的。SteeringVector (“SensorArray”, tx.Antenna);为Rx = RXS计算接收站点的转向矢量[az,el] =角(tx,rx);sv = steeringVector(fq，[az;el]);%更新基站辐射模式tx. antena . taper = conj(sv);模式(tx)%计算信号强度(dBm)Ss = sigstrength(rx,tx，“freespace”）;disp (“信号强度”+ 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
而不是引导基站天线波束依次到每个接收站点，产生一个单一波束可以同时发送到所有接收站点。单光束向三个接收点产生辐射叶。同时传输时，各接收点的信号强度下降，但仍满足接收灵敏度。
steeringVector =相控的。SteeringVector (“SensorArray”, tx.Antenna);计算接收站点的转向矢量[az,el] =角(tx,rxs);sv = steeringVector(fq，[az el]');%更新基站辐射模式tx. antena . taper = 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”+ 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:
-72.2968 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。在路径损耗受损的情况下，估计的信号强度变弱，并下降到接收器灵敏度-84 dBm以下。
假设传播路径通过25米的树叶。foliageDepth = 25;L = 1.33*((fq/1e9)^0.284)*foliageDepth^0.588;Weissberger模型为d > 14disp (“由于树叶导致路径丢失:”+ l +“数据库”）
叶波导致的路径损耗:22.7422 dB
在每个接收站点上指定叶丢失为静态SystemLoss为Rx = RXS Rx。SystemLoss = L;结束计算叶面损失的信号强度为Rx = RXS Rx。SystemLoss = L;Ss = sigstrength(rx,tx，“freespace”）;disp (“信号强度”+ 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，包括通过气体和雨的传播。使用%“+”操作符添加传播模型以创建组合%模型包括两种大气效应。weatherpm =繁殖模型(“气”+传播模型(“雨”）;为Rx = RXS ss = sigstrength(Rx,tx,weatherpm);disp (“信号强度”+ 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:
-110.4526 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无线电的一个重要考虑频段[1］．重新设计MU-MIMO系统，以实现更有利的路径损耗，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 = /2;Dcol = lambda/2;tx.TransmitterFrequency = fq;天线=相控。(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 = /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，还使用考虑天气影响的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20 MHz到20 GHz范围内有效，因此在3.5 GHz范围内可用，但在28 GHz范围内不可用。
计算接收站点的转向矢量steeringVector =相控的。SteeringVector (“SensorArray”, tx.Antenna);[az,el] =角(tx,rxs);sv = steeringVector(fq，[az el]');%更新基站辐射模式tx. antena . taper = conj(sum(sv,2));模式(tx,“大小”, 4000)%重新计算由于叶子造成的损失L = 1.33*((fq/1e9)^0.284)*foliageDepth^0.588;Weissberger模型为d > 14在每个接收站点上指定叶丢失为静态SystemLoss为Rx = RXS Rx。SystemLoss = L;结束disp (“由于树叶导致路径丢失:”+ l +“数据库”）
叶波导致的路径损耗:12.5996 dB
将基于天气的路径损失添加到Longley-Rice传播模型中。pm = propagationModel(“longley-rice”) + weatherpm;计算从峰值天线增益和系统损耗得到的接收机增益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Rx = RXS ss = sigstrength(Rx,tx,pm);disp (“信号强度”+ 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
本例展示了如何在多用户郊区场景下，使用5G技术规划地形上的固定无线接入链路。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，路径损耗损害使得28 GHz载频不适合链路。单是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使信号强度进一步显著下降。要在这里所考虑的多公里范围内成功连接，需要较低的3.5 GHz频率。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
微波期刊，Pre-5G和5G: mmWave链路能工作吗?Andreas Roessler, 2017年12月
[3] John Seybold，射频传播导论，威利，2005年
函数元素= reflectorCrossedDipoleElement(fq, showAntenna)设计反射背衬交叉偶极子天线元件如果nargin < 2 showAntenna = false;结束Lambda = physconst“光速”) / fq;偏移量= 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。TiltAxis = [“y”，“z”];D2 =拷贝(d1);d2。倾角= 45;d2。TiltAxis =“x”；%设计反射器R =设计(反射器，fq);r.激励器= d1;r.GroundPlaneLength = gndLength;r.GroundPlaneWidth = gndWidth;r.Spacing = gndspacing;r.倾斜度= 90;r.TiltAxis =“y”；如果showAntenna显示(右)结束%形成交叉的偶极子背面的反射器refarray = conalarray;refray . elementposition (1，:) = [gndspacing 0 0];refray . elementposition (2，:) = [gddspacing +offset 0 0];refarray。元素= {r, d2};refarray。参考=“喂”；refarray。phas移= [0 90];如果showAntenna显示(refarray);视图(65年,20)结束从图案中创建自定义天线元素[g,az,el] =模式(refarray,fq);element = phase . customantennaelement;元素。AzimuthAngles = az;元素。ElevationAngles = el;元素。magnudepattern = g;元素。phaseppattern = 0 (size(g));结束函数元素= reflectorDipoleElement(fq)设计反射支持的偶极子天线元件设计反射器和激励器，默认为垂直偶极子元素= design(reflector,fq);元素。激励器= design(element.励磁器，fq);倾斜天线元件，使其在xy平面内辐射，沿x轴向天线方向辐射元素。倾角= 90;元素。TiltAxis =“y”；element.励磁器. tilt = 90;element.Exciter.TiltAxis =“y”；结束
另请参阅
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)
相关的话题
您也可以从以下列表中选择网站: