Minimalizacja zjawiska dyspersji kątowej w sieciach komórkowych 5G

• Autorzy: Kelner Jan M. , Ziółkowski Cezary

Identyfikatory

DOI

10.15199/13.2019.2.2

Warianty tytułu

EN

Mitigation of angular dispersion in 5G cellular networks

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Współczesne systemy komórkowe bazują na technologii LTE, czyli standardu czwartej generacji (4G). Obecnie trwają pracę nad zakończeniem standardu definiującego systemy piątej generacji (5G), które będą implementowane w najbliższych latach. Nowa generacja systemów dotyczy już nie tylko sieci komórkowych ale również innych systemów łączności bezprzewodowej, od Internetu rzeczy, przez sieci Wi-Fi, po łączność satelitarną. Technologie 5G zrewolucjonizują całą łączność bezprzewodową zapewniając jednocześnie kompatybilność wsteczną. Jednymi z kluczowych technologii 5G są efektywne technologie antenowa, tzn. massive-MIMO oraz elektroniczne sterowanie wiązką. Ich zastosowanie w przyszłych stacjach bazowych makro-komórek pozwoli na przestrzenne zdywersyfikowanie zasobów radiowych. Technologie te pozwalają na generowanie bardzo wąskich wiązek radiowych, dzięki czemu zapewniają przestrzenną filtrację składowych sygnału emitowanych przez antenę nadawczą oraz docierających do anteny odbiorczej w środowiskach wielodrogowych. W artykule przedstawiono problematykę minimalizacji zjawiska dyspersji kątowej w sieciach 5G na bazie badań symulacyjnych. W tym celu wykorzystano wieloeliptyczny model propagacyjny.

EN

Modern cellular systems are based on the LTE technology, i.e., fourth generation (4G) standard. Currently, works on the standard defining fifth generation (5G) systems is underway, which will be implemented in the coming years. The new system-generation applies not only to cellular networks but also to other wireless communication systems, from the Internet of Things, through Wi-Fi networks, to satellite communications. 5G technologies will revolutionize all wireless connectivity while providing backward compatibility. One of the key 5G technologies are efficient antenna technologies, i.e., massive-MIMO and beamforming. Their use in future macro-cell base stations will allow spatial multiplexing of radio resources. These technologies allow the generation of radio narrow-beams, thus providing spatial filtration of the signal components emitted by the transmitting antenna and reaching the receiving antenna in multipath environments. The paper presents issues of minimizing the angular dispersion in 5G networks based on simulation studies. For this purpose, a multielliptical propagation model is used.

Słowa kluczowe

PL

łączność bezprzewodowa; systemy i sieci piątej generacji (5G); systemy antenowe; technologia massive-MIMO; anteny kierunkowe; szyki antenowe; elektroniczne sterowanie wiązką; propagacja fal radiowych; zjawisko dyspersji kątowej; minimalizacja dyspersji kątowej; rozproszenie; propagacja wielodrogowa; warunki braku bezpośredniej widoczności; NLOS; modelowanie kanałów; badania symulacyjne

EN

wireless communication; fifth generation (5G) systems & networks; antenna systems; massive MIMO technology; directional antennas; antenna array; beamforming; radiowave propagation; angular dispersion; angular dispersion mitigation; scattering; multipath propagation; non-line-of-sight (NLOS) conditions; NLOS; channel modeling; simulation

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 60, nr 2
• Strony: 13--20
• Opis fizyczny: Bibliogr. 47 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Kelner Jan M.

• Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Wydział Elektroniki, Instytut Telekomunikacji, ul. Gen. Witolda Urbanowicza 2, 00-908 Warszawa

autor

Ziółkowski Cezary

• Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Wydział Elektroniki, Instytut Telekomunikacji, ul. Gen. Witolda Urbanowicza 2, 00-908 Warszawa

Bibliografia

• [1] Cox Christopher. 2014. An introduction to LTE: LTE, LTE-Advanced, SAE, VoLTE and 4G mobile communications, wyd. 2. Wiley. Chichester, West Sussex, UK; Hoboken, NJ, USA.
• [2] Vannithamby Rath, Shilpa Talwar (ed.). 2017. Towards 5G: Applications, requirements and candidate technologies. Wiley. Chichester, West Sussex, UK.
• [3] Yang Yang, Jing Xu, Guang Shi, Cheng-Xiang Wang. 2017. 5G wireless systems: Simulation and evaluation techniques. Springer. New York, NY, USA.
• [4] Panwar Nisha, Shantanu Sharma, Awadhesh Kumar Singh. 2016. “A survey on 5G: The next generation of mobile communication". Physical Communication 18: 64-84.
• [5] Agiwal Mamta, Abhishek Roy, Navrati Saxena. 2016. “Next generation 5G wireless networks: A comprehensive survey". IEEE Communications Surveys & Tutorials 18(3): 1617-1655.
• [6] Akpakwu Godfrey Anuga, Bruno J. Silva, Gerhard P. Hancke, Adnan M. Abu-Mahfouz. 2018. “A survey on 5G networks for the Internet of Things: Communication technologies and challenges". IEEE Access 6: 3619-3647.
• [7] David Klaus, Hendrik Berndt. 2018. “6G vision and requirements: Is there any need for beyond 5G?". IEEE Vehicular Technology Magazine 13(3): 72-80.
• [8] Barclay Les W. (ed.). 2012. Propagation of radiowaves, wyd. 3. The Institution of Engineering and Technology. London, UK.
• [9] Blaunstein Nathan. 2000. Radio propagation in cellular networks. Artech House Publishers. Boston, MA, USA.
• [10] Rappaport Theodore S. 2002. Wireless communications: Principles and practice, wyd. 2. Prentice Hall. Upper Saddle River, NJ, USA.
• [11] da Silva Mário Marques, Francisco A. Monteiro (ed.). 2014. MIMO processing for 4G and beyond: Fundamentals and evolution. CRC Press. Boca Raton, FL, USA.
• [12] Wang Elva Cheng. 2008. Adaptive downlink multi-user MIMO wireless systems: Investigations, analyses, strategies. VDM Verlag Dr. Müller. Saarbrücken, Germany.
• [13] Marzetta Thomas L., Erik G. Larsson, Hong Yang, Hien Quoc Ngo. 2016. Fundamentals of massive MIMO. Cambridge University Press. Cambridge, UK; New York, NY, USA.
• [14] Busari Sherif Adeshina, Kazi Mohammed Saidul Huq, Shahid Mumtaz, Linglong Dai, Jonathan Rodriguez. 2018. “Millimeter-wave massive MIMO communication for future wireless systems: A survey". IEEE Communications Surveys & Tutorials 20(2): 836-869.
• [15] Liu Wei, Stephan Weiss. 2016. Wideband beamforming: Concepts and techniques. Wiley. Chichester, West Sussex, UK.
• [16] Kutty Shajahan, Debarati Sen. 2016. “Beamforming for millimeter wave communications: An inclusive survey". IEEE Communications Surveys & Tutorials 18(2): 949-973.
• [17] Kim Younsun, Hyoungju Ji, Juho Lee, Young-Han Nam, Boon Loong Ng, Ioannis Tzanidis, Yang Li, Jianzhong (Charlie) Zhang. 2014. “Full dimension mimo (FD-MIMO): The next evolution of MIMO in LTE systems". IEEE Wireless Communications 21(2): 26-33.
• [18] Ji Hyoungju, Younsun Kim, Juho Lee, Eko Onggosanusi, Younghan Nam, Jianzhong Zhang, Byungju Lee, Byonghyo Shim. 2017. “Overview of full-dimension MIMO in LTE-Advanced Pro," IEEE Communications Magazine. 55(2):176-184.
• [19] Kelner Jan M., Cezary Ziółkowski. 2018. “Minimalizacja zjawiska dyspersji kątowej w systemach piątej generacji". VIII Konferencja nt. Wpływ Bezprzewodowych Technologii Teleinformatycznych na Życie Współczesnego Człowieka (EIT). Warszawa, Polska.
• [20] ITU-R. 2015. “Recommendation ITU-R M.2083-0: IMT Vision - Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond." Rec. ITU-R M.2083-0. International Telecommunication Union (ITU). Geneva, Switzerland.
• [21] Ministerstwo Cyfryzacji. 2018. “Strategia 5G dla Polski". Warszawa, Polska.
• [22] Song Houbing, Ravi Srinivasan, Tamim Sookoor, Sabina Jeschke. 2017. Smart cities: Foundations, principles, and applications. Wiley. Hoboken, NJ, USA.
• [23] Gharaibeh Ammar, Mohammad A. Salahuddin, Sayed Jahed Hussini, Abdallah Khreishah, Issa Khalil, Mohsen Guizani, Ala Al-Fuqaha. 2017. “Smart cities: A survey on data management, security, and enabling technologies". IEEE Communications Surveys & Tutorials 19(4): 2456-2501.
• [24] G. de la Roche, A. Alayón-Glazunov, and B. Allen, LTE-advanced and next generation wireless networks: Channel modelling and propagation. Chichester, West Sussex, U.K: Wiley, 2012.
• [25] Rehman Masood Ur, Ghazanfar Ali Safdar (ed.). 2018. LTE communications and networks: Femtocells and antenna design challenges. Wiley. Hoboken, NJ, USA.
• [26] Mitsubishi Electric Corporation. 2016. “Mitsubishi Electric’s new multibeam multiplexing 5G technology achieves 20Gbps throughput". No. 2984. Tokyo, Japan.
• [27] TE Connectivity Ltd. 2018. “Mass connectivity in the 5G era. Preparing now for the future,". Schaffhausen, Switzerland.
• [28] Muirhead David, Muhammad Ali Imran, Kamran Arshad. 2016. “A survey of the challenges, opportunities and use of multiple antennas in current and future 5G small cell base stations". IEEE Access, 4: 2952-2964.
• [29] Ziółkowski Cezary. 2015. “Statistical model of the angular power distribution for wireless multipath environments". IET Microwaves, Antennas & Propagation 9(3): 281-289.
• [30] Parsons J. D., A. S. Bajwa. 1982. “Wideband characterisation of fading mobile radio channels," IEE Proceedings F Communications, Radar and Signal Processing 129(2): 95-101.
• [31] Oestges Claude, Vinko Erceg, Arogyaswami J. Paulraj. 2003. “A physical scattering model for MIMO macrocellular broadband wireless channels". IEEE Journal on Selected Areas in Communications 21(5): 721-729.
• [32] Abdi Ali, Janet A. Barger, Mostafa Kaveh. 2002. “A parametric model for the distribution of the angle of arrival and the associated correlation function and power spectrum at the mobile station". IEEE Transactions on Vehicular Technology 51(3): 425-434.
• [33] Ziółkowski Cezary, Jan M. Kelner. 2015. “Geometry-based statistical model for the temporal, spectral, and spatial characteristics of the land mobile channel," Wireless Personal Communications 83(1): 631-652.
• [34] Ziółkowski Cezary, Jan M. Kelner. 2015. “Estimation of the reception angle distribution based on the power delay spectrum or profile". International Journal of Antennas and Propagation 2015: e936406.
• [35] Ziółkowski Cezary, Jan M. Kelner. Leszek Nowosielski, Marian Wnuk. 2017. “Modeling the distribution of the arrival angle based on transmitter antenna pattern". 2017 11th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Paris, France.
• [36] Ziółkowski Cezary, Jan M. Kelner. 2017. “Antenna pattern in three-dimensional modelling of the arrival angle in simulation studies of wireless channels". IET Microwaves, Antennas & Propagation 11(6): 898-906.
• [37] Kelner Jan M., Cezary Ziółkowski. 2018. “Modeling power angle spectrum and antenna pattern directions in multipath propagation environment". 2018 12th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), London, UK.
• [38] Ziółkowski Cezary, Jan M. Kelner. 2018. “Statistical evaluation of the azimuth and elevation angles seen at the output of the receiving antenna". IEEE Transactions on Antennas and Propagation 66(4): 2165-2169.
• [39] Kelner Jan M., Cezary Ziółkowski. 2018. “Multi-elliptical geometry of scatterers in modeling propagation effect at receiver". Pedro Pinho (ed.). Antennas and Wave Propagation. InTech Open. London, UK.
• [40] 3GPP. 2018. “Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz". 3rd Generation Partnership Project (3GPP), Technical Specification Group Radio Access Network. Tech. Rep. 3GPP TR 38.901 V15.0.0 (2018-06), Release 15. Valbonne, France.
• [41] Rappaport Theodore S., George R. MacCartney, Jr., Mathew K. Samimi, Shu Sun. 2015. “Wideband millimeter-wave propagation measurements and channel models for future wireless communication system design". IEEE Transactions on Communications 63(9): 3029-3056.
• [42] Kelner Jan M., Cezary Ziółkowski, Leszek Nowosielski. 2017. “Effect of emitter antenna pattern on angular dispersion of received signals in urban areas". 2017 39th Progress in Electromagnetics Research Symposium - Fall (PIERS-Fall), Singapore.
• [43] Ziółkowski Cezary, Jan M. Kelner. 2018. “Radio bearing of sources with directional antennas in urban environment". International Journal of Microwave and Wireless Technologies 10(7): 759-771.
• [44] Kelner Jan M., Cezary Ziółkowski, Bogdan Uljasz. 2018. “Comparison of angular spread for 6 and 60 GHz based on 3GPP standard". 2018 22nd International Microwave and Radar Conference (MIKON), Poznań, Polska.
• [45] Kelner Jan M., Cezary Ziółkowski, Bogdan Uljasz. 2018. “Evaluation of angular dispersion for various propagation environments in emerging 5G systems". 2018 22nd International Microwave and Radar Conference (MIKON), Poznań, Polska.
• [46] Kelner Jan M., Cezary Ziółkowski, Leszek Nowosielski. 2018. “Angular dispersion modelling for 5G wireless link with directional antennas". 2018 22nd International Conference Electronics (ELECTRONICS), Palanga, Lithuania.
• [47] Kelner Jan M., Cezary Ziółkowski. 2019. “Evaluation of angle spread and power balance for design of radio links with directional antennas in multipath environment". Physical Communication 32: 242-251.

Uwagi

1. Praca została opracowana w ramach Grantu Badawczego „Badania podstawowe w obszarze technologii sensorowej z wykorzystaniem innowacyjnych metod przetwarzania danych” nr GBMON/13-996/2018/WAT finansowanego przez Ministerstwo Obrony Narodowej.

2. Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).