视频短片："使用无线 InSite MIMO 可视化波束成形"...
Wireless InSite 的通信系统分析仪是一套后处理例程，以X3D 模型的高保真MIMO 计算为基础，预测系统吞吐量和误码率。本示例利用这些例程分析了在密集城市环境中使用 5G 新无线电 (NR) 的三个采用全维 (FD) MIMO 波束成形的小蜂窝基站与沿路移动的用户设备 (UE) 之间的吞吐量。
项目说明
建筑物和树叶的几何图形是从马萨诸塞州波士顿市中心的一段几何图形的高分辨率形状文件中导入的。导入的城市模型、树叶和地形共包含 6452 个面。建筑物和地形的材料属性为混凝土，电导率为 0.484 S/m，介电常数为 5.31，取自国际电信联盟关于 28 GHz 下混凝土的数据[1]、[2]，而树叶则使用 Weissberger 的树叶穿透损耗模型[3]。
图 1：Wireless InSite 中项目几何体的等距视图和俯视图。
每个发射器代表一个基站，使用一个 8x8 双极化贴片阵列，共有 128 个元件。沿线接收器位置使用了交叉极化各向同性天线。Wireless InSite 的GPU 加速 X3D 模型用于提供高保真传播结果，其中包括建筑物和地形的反射以及建筑物边缘的衍射。要在 5G NR 频率下获得准确的结果，就必须将高分辨率几何和高保真传播模型结合起来。传播模型计算了从三个发射器的每个元素到接收器位置的 H 矩阵（每个收发对 128 x 2 = 256 个条目）。
通信系统分析仪
Wireless InSite 的通信系统分析仪通过对传播模拟的高保真 H 矩阵结果进行后处理，可预测多个发射机的吞吐量、误码率和其他输出。在一个通信系统中，用户可以设置以下输入参数
- 选择要纳入分析的发射机和接收机组
- 指定发射机为基站或干扰源
- 设置统一的噪音和干扰水平
- 可选择包括基站之间的干扰
- 选择误码率或吞吐量分析
- 选择发射机波束成形选项
- 为多输入多输出接收天线设置分集选项
在本示例中，定义了一个通信系统，具体分析了三个基站和一个沿移动路线行驶的 UE 之间的吞吐量。通信系统属性窗口定义了基站的自定义波束成形表、UE 对选择组合的使用，以及计算链路吞吐量时使用的基于 3GPP 规范的自定义吞吐量表。
图 2：用于计算多输入多输出系统吞吐量的通信系统属性窗口。
使用精确编码表的定制波束成形
用户定义的预编码表是一个文本文件，包含发射多输入多输出天线的天线元件权重。文件中的每条记录代表天线元件能够产生的波束。本示例使用的表格描述了 66 个天线波束，通过改变每个天线元件的相位，发射机可以在水平方向上从 -50 度扫描到 50 度，在垂直方向上从 -10 度扫描到 +40 度，增量为 10 度。基站将根据 UE 的每个位置选择能使接收器功率最大化的天线波束。
5G NR 设备的定制吞吐量分析
接收器上 5G NR 设备的吞吐量也使用自定义文件，将设备上的 SINR 映射到可实现的下行链路数据速率。该表中的吞吐量值是使用 3GPP TS 38.306 v15.2 中公布的公式计算得出的，该公式计算了每种潜在调制和编码方案 (MCS) 的 5G NR 数据速率，并考虑了信令和控制开销以及上行链路和下行链路传输之间的差异 [4] [5]。估算适用于 100 MHz 带宽的单分量载波，并假定可实现的 MCS 与 SINR 之间的关系与 LTE 观察到的类似。
成果
接收器分集
我们创建了三个通信系统，以分析选择组合、等增益组合和最大比率组合对 5G NR 用户设备（UE）的影响。图 3 和图 4 中的结果表明，在这种情况和配置下，三种分集方法在 SINR 或吞吐量方面没有本质区别。本示例的其余部分将使用 UE 的选择组合和基站的定制波束成形。
图 3：基站 1 接收机分集方法的 SINR 比较。
图 4：基站 1 接收机分集方法的吞吐量比较。
定制波束成形和选择组合的 SINR 和吞吐量
SINR 和吞吐量结果分别针对每个基站和所有三个基站的协同工作。在本例中，5G NR 将与 SINR 值最高的基站建立链接。图 5 和图 6 中的红线代表三个基站到 UE 的整体性能，根据沿路各点 SINR 值最高的基站而定。蓝线表示基站 1 对 SINR 和吞吐量的贡献。在蓝线和红线重叠的区域，接收机与基站 1 建立链接。其他两个基站的贡献也可以绘制，但为了图表的清晰度，我们省略了这两条线。
图 5：总 SINR（红色）和从基站 1 到 UE 的 SINR（蓝色）。
图 6：总吞吐量（红色）和从基站 1 到 UE 的吞吐量（蓝色）。
波束成形表与最大传输比的评估
最大比传输波束成形可为每个接收器位置计算最佳波束。图 7 和图 8 比较了使用自定义波束成形表（蓝色）与 MRT（红色）的 SINR 和吞吐量结果。在大多数地点，自定义波束成形表中的预定义波束都能达到与 MRT（一种更优化的自适应技术）几乎相同的 SINR 和吞吐量，但在有些路段，增加更多有针对性的波束会改善结果。在线路 225 米到 350 米之间，SINR 值过低，两种波束成形方法都无法达到足够的吞吐量。要改善该位置的覆盖范围，有必要增加一个基站。
图 7：定制波束成形（蓝色）和 MRT 波束成形（红色）的 SINR 比较。
图 8：MRT（红色）和定制波束成形（蓝色）时所有三个基站沿 UE 路线的吞吐量比较。
图 9：定制波束成形和选择组合的 SINR 覆盖范围。
图 10：定制波束成形和选择组合的吞吐量覆盖范围。
结论
Wireless InSite 的通信系统分析仪 可用于计算实际多输入多输出系统的吞吐量、SINR 和其他系统级数量，包括发射波束成形和接收器分集。
本例演示了如何使用自定义波束成形表来模拟波士顿某地三个多输入多输出基站的动态行为。自定义吞吐量表用于为 5G 新无线电的下行数据速率建模。Wireless InSite 的 X3D 高保真光线跟踪和 MIMO 功能可高效计算 SINR 和吞吐量。
该示例还演示了内置理论波束成形和接收器分集选项如何快速比较定制技术提供的吞吐量覆盖范围。
Remcom 的通信系统分析仪为网络规划人员和设备设计人员提供了评估基站位置和估计实际情况下吞吐量所需的工具。由于可以加入自定义波束成形和吞吐率，用户可以灵活地设计和评估新设备和网络配置。
参考资料
[1] 《地球表面的电气特性》，ITU-R P.527-3 号建议，1992 年。
[2] 《建筑材料和结构对大约 100 MHz 以上无线电波传播的影响》，ITU-R P.2040-1 号建议，第 22-23 页，2015 年 7 月。
[3] M. Weissberger，《预测树木对无线电波衰减模型的初步批判性总结》，1982 年，马里兰州安纳波利斯电磁兼容性分析中心。最终报告。https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a118343.pdf
[4] 3GPP TS 38.306 V15.2.0 [10] 用于 5G NR，根据调制顺序和编码速率计算峰值吞吐量。
[5] G. Skidmore，"利用建模和仿真评估 5G 固定无线接入的挑战和解决方案"。
