Диаграммообразование на основе позиционирования в сверхплотных сетях радиодоступа миллиметрового диапазона. Часть 1. Модель двух радиолиний

Эволюция сетей радиодоступа (СРД) 1G–4G за последние 40 лет показала, что возможности диаграммообразования (ДО) добавляют дополнительное пространственное измерение в традиционные методы мультиплексирования устройств. При формировании базовыми станциями gNB (gNodeB) и пользовательскими устройствами UE (User Equipment) узких диаграмм направленности антенны (ДНА) помимо частотного, временно́го и кодового разделения каналов появляется дополнительное пространственное измерение, реализующее пространственное мультиплексирование. Данная концепция известна уже достаточно давно, однако полноценная реализации ее возможностей на практике ожидается с широким распространением сверхплотных СРД диапазона миллиметровых волн (ММВ) пятого (5G) и последующих (B5G) поколений. Для управления ДНА может использоваться подход предварительного анализа обучающих последовательностей о текущей обстановке в радиоканале CSI (Channel State Information), однако его накладные расходы становятся неприемлемо высокими в условиях сверхплотного распределения устройств. Альтернативным подходом является ДО на основе позиционирования. Обоснованность, актуальность и перспективность данного подхода определяется тем фактом, что для сетей 5G, в отличие от предыдущих поколений, впервые формализованы требования к точности позиционирования UE до одного метра. Первоначальные исследования в области ДО на основе позиционирования уже проводились на протяжении последних лет, однако преимущественно для частных сценариев одной или нескольких радиолиний между gNB и стационарными UE. В настоящей работе впервые формализована и программно реализована научно-обоснованная методология управления ДНА стационарной gNB на основе позиционирования подвижного UE для сценария двух радиолиний. Проблемой практической реализации ДО является сложно прогнозируемый уровень помех вследствие взаимного влияния радиолиний с подвижными UE. При оценке мгновенного отношения сигнал/помеха в сценарии двух радиолиний между двумя стационарными gNB, которые осуществляют ДО на основе текущего местоположения подвижных UE в процессе их перемещения, необходимо учитывать взаимное влияние радиолиний друга на друга. В таком сценарии передатчик в одной радиолинии выступает одновременно и как источник полезного сигнала для одного подвижного приемника, и как источник мешающего сигнала для другого подвижного приемника. Задача оценки помех для такого сценария усложняется нелинейностью ДНА передатчика и/или приемника. Разработанная и программно реализованная в настоящей работе модель использует функции пакета расширения Phased Array System Toolbox Matlab. Результаты моделирования показывают существенный разброс (десятки дБ) мгновенного отношения сигнал/помеха в зависимости от территориального разноса устройств и могут быть использованы при обосновании сценариев построения и функционирования сверхплотных СРД 5G/B5G.

1. Фокин Г.А. Концепция диаграммообразования на основе позиционирования в сетях 5G // Вестник связи. 2022. № 10. С. 1‒7.

2. Диаграммообразование на основе позиционирования в сверхплотных сетях радиодоступа миллиметрового диапазона // Российский научный фонд. URL: https://rscf.ru/project/22-29-00528 (дата обращения 10.09.2023)

3. Фокин Г.А., Кучерявый А.Е. Сетевое позиционирование в экосистеме 5G // Электросвязь. 2020. № 9. C. 51‒58. DOI:10.34832/ELSV.2020.10.9.006

4. Фокин Г.А. Использование методов сетевого позиционирования в экосистеме 5G // Электросвязь. 2020. № 11. С. 29‒37. DOI:10.34832/ELSV.2020.12.11.002

5. Фокин Г.А. Комплекс моделей и методов позиционирования устройств в сетях пятого поколения. Дис. ... докт. техн. наук. СПб.: СПбГУТ, 2021. 499 с.

6. Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования. СПб.: СПбГУТ, 2020. 558 с.

7. Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования 5G. М.: Горячая Линия – Телеком, 2021. 456 с.

8. Фокин Г.А. Моделирование сверхплотных сетей радиодоступа 5G с диаграммообразованием // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2021. Т. 15. № 5. С. 4‒21. DOI:10.36724/2072-8735-2021-15-5-4-21

9. Фокин Г.А. Модели диаграммообразования в сверхплотных сетях радиодоступа 5G. Часть 1. Оценка помех // Первая миля. 2021. № 3(95). С. 66‒73. DOI:10.22184/2070-8963.2021.95.3.66.73

10. Фокин Г.А. Модели диаграммообразования в сверхплотных сетях радиодоступа 5G. Часть 2. Оценка разноса устройств // Первая миля. 2021. № 4(96). С. 66‒73. DOI:10.22184/2070-8963.2021.96.4.66.72

11. Фокин Г.А. Процедуры выравнивания лучей устройств 5G NR // Электросвязь. 2022. № 2. С. 26‒31. DOI:10.34832/ ELSV.2022.27.2.003

12. Фокин Г.А. Модели управления лучом в сетях 5G NR. Часть 1. Выравнивание лучей при установлении соединения // Первая миля. 2022. № 1(101). С. 42‒49. DOI:10.22184/2070-8963.2022.101.1.42.49

13. Фокин Г. Модели управления лучом в сетях 5G NR. Часть 2. Выравнивание лучей при ведении радиосвязи // Первая миля. 2022. № 3(103). С. 62‒69. DOI:10.22184/2070-8963.2022.103.3.62.68

14. Фокин Г.А. Модель технологии сетевого позиционирования метровой точности 5G NR. Часть 1. Конфигурация сигналов PRS // Труды учебных заведений связи. 2022. Т. 8. № 2. С. 48‒63. DOI:10.31854/1813-324X-2022-8-2-48-63

15. Фокин Г.А. Модель технологии сетевого позиционирования метровой точности 5G NR. Часть 2. Обработка сигналов PRS // Труды учебных заведений связи. 2022. Т. 8. № 3. С. 80‒99. DOI:10.31854/1813-324X-2022-8-3-80-99

16. Фокин Г.А., Лазарев В.О. Программный модуль для оценки взаимного влияния радиолиний двух адаптивных антенн при диаграммообразовании. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU 2021662103 от 14.07.2021. Опубл. 22.07.2021.

17. Rappaport T.S., Gutierrez F., Ben-Dor E., Murdock J.N., Qiao Y., Tamir J.I. Broadband Millimeter-Wave Propagation Measurements and Models Using Adaptive-Beam Antennas for Outdoor Urban Cellular Communications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. Vol. 61. Iss. 4. PP. 1850‒1859. DOI:10.1109/TAP.2012.2235056

18. Nam Y.-H., Ng B.L., Sayana K., Li Y., Zhang J., Kim Y., et al. Full-dimension MIMO (FD-MIMO) for next generation cellular technology // IEEE Communications Magazine. 2013. Vol. 51. Iss. 6. PP. 172‒179. DOI:10.1109/MCOM.2013.6525612

19. Lu L., Li G.Y., Swindlehurst A.L., Ashikhmin A., Zhang R. An Overview of Massive MIMO: Benefits and Challenges // IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing. 2014. Vol. 8. Iss. 5. PP. 742‒758. DOI:10.1109/JSTSP.2014.2317671

20. Razavizadeh S.M., Ahn M., Lee I. Three-Dimensional Beamforming: A new enabling technology for 5G wireless networks // IEEE Signal Processing Magazine. 2014. Vol. 31. Iss. 6. PP. 94‒101. DOI:10.1109/MSP.2014.2335236

21. Roh W., Seol J.-Y., Park J., Lee B., Lee J., Kim Y., et al. Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications: theoretical feasibility and prototype results // IEEE Communications Magazine. 2014. Vol. 52. Iss. 2. PP. 106‒113. DOI:10.1109/MCOM.2014.6736750

22. Larsson E.G., Edfors O., Tufvesson F., Marzetta T.L. Massive MIMO for next generation wireless systems // IEEE Communications Magazine. 2014. Vol. 52. Iss. 2. PP. 186‒195. DOI:10.1109/MCOM.2014.6736761

23. Sun S., Rappaport T.S., Heath R.W., Nix A., Rangan S. Mimo for millimeter-wave wireless communications: beamforming, spatial multiplexing, or both? // IEEE Communications Magazine. 2014. Vol. 52. Iss. 12. PP. 110‒121. DOI:10.1109/MCOM.2014.6979962

24. Han S., I C.-l., Xu Z., Rowell C. Large-scale antenna systems with hybrid analog and digital beamforming for millimeter wave 5G // IEEE Communications Magazine. 2015. Vol. 53. Iss. 1. PP. 186‒194. DOI:10.1109/MCOM.2015.7010533

25. Kutty S., Sen D. Beamforming for Millimeter Wave Communications: An Inclusive Survey // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2016. Vol. 18. Iss. 2. PP. 949‒973. DOI:10.1109/COMST.2015.2504600

26. Rappaport T.S., Xing Y., MacCartney G.R., Molisch A.F., Mellios E., Zhang J. Overview of Millimeter Wave Communications for Fifth-Generation (5G) Wireless Networks – With a Focus on Propagation Models // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2017. Vol. 65. Iss. 12. PP. 6213‒6230. DOI:10.1109/TAP.2017.2734243

27. Heath R.W., González-Prelcic N., Rangan S., Roh W., Sayeed A.M. An Overview of Signal Processing Techniques for Millimeter Wave MIMO Systems // IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing. 2016. Vol. 10. Iss. 3. PP. 436‒453. DOI:10.1109/JSTSP.2016.2523924

28. Björnson E, Sanguinetti L, Wymeersch H, Hoydis J, Marzetta TL. Massive MIMO is a reality ‒ What is next? Five promising research directions for antenna arrays // Digital Signal Processing. 2019. Vol. 94. PP. 3‒20. DOI:10.1016/j.dsp.2019.06.007

29. Heng Y., Andrews J.G., Mo J., Va V., Ali A., Ng B.L., et al. Six Key Challenges for Beam Management in 5.5G and 6G Systems // IEEE Communications Magazine. 2021. Vol. 59. Iss. 7. PP. 74‒79. DOI:10.1109/MCOM.001.2001184

30. Bang J., Chung H., Hong J., Seo H., Choi J., Kim S. Millimeter-Wave Communications: Recent Developments and Challenges of Hardware and Beam Management Algorithms // IEEE Communications Magazine. 2021. Vol. 59. Iss. 8. PP. 86‒92. DOI:10.1109/MCOM.001.2001010

31. Maiberger R., Ezri D., Erlihson M. Location based beamforming // Proceedings of the 26th Convention of Electrical and Electronics Engineers in Israel (Eilat, Israel, 17‒20 November 2010). IEEE, 2010. PP. 000184‒000187. DOI:10.1109/ EEEI.2010.5661954

32. Alkhateeb A., Ayach O.El., Leus G., Heath R.W. Channel Estimation and Hybrid Precoding for Millimeter Wave Cellular Systems // IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing. 2014. Vol. 8. Iss. 5. PP. 831‒846. DOI:10.1109/JSTSP.2014. 2334278

33. Va V., Zhang X., Heath R.W. Beam Switching for Millimeter Wave Communication to Support High Speed Trains // Proceedings of the 82nd Vehicular Technology Conference (VTC2015-Fall, Boston, USA, 06‒09 September 2015). IEEE, 2015. DOI:10.1109/VTCFall.2015.7390855

34. Va V., Heath R.W. Basic Relationship between Channel Coherence Time and Beamwidth in Vehicular Channels // Proceedings of the 82nd Vehicular Technology Conference (VTC2015-Fall, Boston, USA, 06‒09 September 2015). IEEE, 2015 DOI:10.1109/VTCFall.2015.7390852

35. Va V., Choi J., Heath R.W. The Impact of Beamwidth on Temporal Channel Variation in Vehicular Channels and Its Implications // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2017. Vol. 66. Iss. 6. PP. 5014‒5029. DOI:10.1109/TVT.2016.2622164

36. Va V., Shimizu T., Bansal G., Heath R.W. Beam design for beam switching based millimeter wave vehicle-to-infrastructure communications // Proceedings of the International Conference on Communications (ICC, Kuala Lumpur, Malaysia, 22‒27 May 2016). IEEE, 2016. DOI:10.1109/ICC.2016.7511414

37. Andrews J.G., Zhang X., Durgin G.D., Gupta A.K. Are we approaching the fundamental limits of wireless network densification? // IEEE Communications Magazine. 2016. Vol. 54. Iss. 10. PP. 184‒190. DOI:10.1109/MCOM.2016.7588290

38. Chiaraviglio L., Turco S., Bianchi G., Blefari-Melazzi N. “Cellular Network Densification Increases Radio-Frequency Pollution”: True or False? // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2022. Vol. 21. Iss. 4. PP. 2608‒2622. DOI:10.1109/TWC.2021.3114198

39. Thors B., Furuskär A., Colombi D., Törnevik C. Time-Averaged Realistic Maximum Power Levels for the Assessment of Radio Frequency Exposure for 5G Radio Base Stations Using Massive MIMO // IEEE Access. 2017. Vol. 5. PP. 19711‒19719. DOI:10.1109/ACCESS.2017.2753459

40. Chiaraviglio L., Rossetti S., Saida S., Bartoletti S., Blefari-Melazzi N. “Pencil Beamforming Increases Human Exposure to ElectroMagnetic Fields”: True or False? // IEEE Access. 2021. Vol. 9. PP. 25158‒25171. DOI:10.1109/ACCESS.2021.3057237

41. Ali A., Karabulut U., Awada A., Viering I., Tirkkonen O., Barreto A.N., et al. System Model for Average Downlink SINR in 5G Multi-Beam Networks // Proceedings of the 30th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC, Istanbul, Turkey, 08‒11 September 2019). IEEE, 2019. DOI:10.1109/PIMRC.2019.8904367

42. Awada A., Lobinger A., Enqvist A., Talukdar A., Viering I. A simplified deterministic channel model for user mobility investigations in 5G networks // Proceedings of the International Conference on Communications (ICC, Paris, France, 21‒25 May 2017). IEEE, 2017. DOI:10.1109/ICC.2017.7997079

43. Yu B., Yang L., Ishii H. Load Balancing With 3-D Beamforming in Macro-Assisted Small Cell Architecture // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2016. Vol. 15. Iss. 8. PP. 5626‒5636. DOI:10.1109/TWC.2016.2563430

44. Velazquez S.R., Broadstone S.R., Chiang A.M. Communication system using geographic position data. Patent U.S., no. 20040104839. 2004.

45. Wu W.R., Wang, Y.K. Localization-based beamforming scheme for systems with multiple antennas. Patent U.S., no. 9755797. 2017.

46. Gross F. Smart Antennas for Wireless Communications: With MATLAB. McGraw-Hill Professional, 2005. 288 p.

47. Balanis C.A. Antenna theory: analysis and design. John Wiley & Sons, 2016. 1104 p.

48. Mailloux R.J. Phased Array Antenna Handbook. Artech House, 2017. 691 p.

49. phased.URA. Uniform rectangular array // MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/phased/ref/phased.ura-system-object.html (дата обращения 20.09.2023)

50. beamwidth. Beamwidth of antenna // MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/antenna/ref/beamwidth.html (дата обращения 20.09.2023)

51. viewArray. View array geometry // MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/phased/ref/phased.ura.viewarray.html (дата обращения 20.09.2023)

52. pattern. Plot URA array pattern // MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/phased/ref/phased.ura.pattern.html (дата обращения 20.09.2023)

53. patternAzimuth. Plot URA array directivity or pattern versus azimuth // MathWorks. URL: https://uk.mathworks.com/help/phased/ref/phased.ura.patternazimuth.html (дата обращения 20.09.2023)

54. patternElevation. Plot URA array directivity or pattern versus elevation // MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/phased/ref/phased.ura.patternelevation.html (дата обращения 20.09.2023)

55. phased.SteeringVector. Sensor array steering vector // MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/phased/ref/phased.steeringvector-system-object.html (дата обращения 20.09.2023)

56. phased.ArrayGain. Sensor array gain // MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/phased/ref/phased.

57. arraygain-system-object.html (дата обращения 20.09.2023)

58. rangeangle. Range and angle calculation // MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/phased/ref/rangeangle.html (дата обращения 20.09.2023)

59. fspl. Free space path loss // MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/phased/ref/fspl.html (дата обращения 20.09.2023)

60. Phased Array System Toolbox. MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/phased (дата обращения 20.09.2023)

61. LAB Link Level Simulator with Phased Array System Toolbox // GitHub. URL: https://github.com/grihafokin/LAB_link_ level_past_rus (дата обращения 20.09.2023)