Extended Summary Of Modeling And Analyzing Millimeter Wave Cellular Systems
- 1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE Dipartimento di Ingegneria e Architettura Corso di Laurea triennale in Ingegneria Elettronica e Informatica Tesi di Laurea in: INGEGNERIA ELETTRONICA EXTENDED SUMMARY OF MODELING AND ANALYZING MILLIMETER WAVE CELLULAR SYSTEMS Tesi di Laurea di: Francesco Bressan Relatore: Prof. Massimiliano Comisso Anno Accademico 2019/2020 1
- 2. 1 INTRODUZIONE L’articolo "Modeling and Analyzing Millimeter Wave Cellular Systems" di J.G. Andrews et al. si pro- pone di studiare un possibile uso in ambito cellulare delle onde millimetriche. Fino a poco tempo fa le frequenze dell’mmWave non erano considerate utili per ambienti di comunicazione dinamici bensì venivano usate per comunicazioni point-to-point a lunga distanza nei satelliti e nelle applicazioni ter- restri. Le mmWave si distinguono dalle onde del Sub-6-GHz in primis per la frequenza, all’incirca tra 30 e 300 GHz, e poi anche per la larghezza della banda. Tali caratteristiche introducono tanti vantaggi in termini di throughput e di copertura ma nello stesso momento fanno nascere numerosi problemi di progettazione come il forte bloccaggio o la costruzione di array di antenne adeguati. L’articolo cerca di introdurre tali problematiche e di fornire un modello base per lo studio dei sistemi cellulari a mmWave fornendo poi possibili estensioni del modello. 2 PRESTAZIONI Le analisi sulle prestazioni hanno rivelato grandi risultati in termini di link budget. Studi condotti nel campus di UT Austin su canali urbani outdoor a 38 GHz hanno mostrato che si può ottenere un SNR (signal-to-noise ratio) accettabile fino ad una distanza approssimativamente di 200m, con una larghezza di banda di 800MHz. Tali risultati devono essere sempre comparati con la conformazione dell’ambiente considerato perché, a causa della forte sensibilità al bloccaggio, c’è grande differenza tra collegamenti LOS (Line-Of-Sight) e NLOS (Non-Line-Of-Sight). Inoltre è stato trovato che la velocità raggiungibile dalle reti a mmWave è dell’ordine dei Gbps, e questo è possibile grazie ad alti guadagni di antenna e ad un’ampia larghezza di banda. Per aumentare tali prestazioni si deve aumen- tare la densità di stazioni base e accrescere il numero di antenne negli array di antenne. La densità però non può essere aumentata all’infinito perché esiste una densità ottimale, detta densità critica, oltre la quale le interferenze causano una degradazione del SINR. In Fig.1 è disegnata la probabilità P(SINR > 10dB) in funzione della distanza tra le stazioni base e si può vedere come la densità critica sia proporzionale alla lunghezza media dei collegamenti LOS, che sono 43m per LA e 85m per Au- 2
- 3. stin, e come dipenda anche dalla larghezza del fascio. Fig. 1 3 BLOCCAGGIO Un’importante caratteristica dei sistemi cellulari a mmWave è la loro vulnerabilità al bloccaggio. Le mmWaves sono molto sensibili al bloccaggio per quattro ragioni principali: • Soffrono molto di più per le perdite di penetrazione a causa della piccola lunghezza d’onda; • Le frequenze dell’mmWave non diffraggono bene perché la lunghezza d’onda è molto più piccola degli oggetti ai quali si piegherebbe attorno; • I fasci di trasmettitore e ricevitore sono più piccoli e quindi c’è più possibilità che siano bloccati da grandi ostacoli; • I sistemi a mmWave hanno larghe ampiezze di banda e potenza di trasmissione bassa. Per quantificare il bloccaggio si usa il path loss, che indica la quantità di potenza persa nel canale tra trasmettitore e ricevitore. Le perdite dovute alle penetrazioni di edifici possono arrivare a 40-80 dB, il che fa perdere completamente il segnale, questo mostra che la comunicazione interno-esterno è pressoché impossibile. Si possono anche avere perdite causate dal corpo umano degli utenti, che 3
- 4. vanno tra i 20 e i 40 dB, e perciò anche queste molto limitative. Quindi il bloccaggio in generale è solo uno svantaggio, anche se in realtà è positivo il fatto che si applichi anche alle interferenze facendo così diminuire i disturbi e aumentare il SINR. Il bloccaggio può essere studiato secondo diversi modelli, i quali cercano di calcolare la PLOS(d), cioè la probabilità che un collegamento di distanza d sia LOS. Il primo modello è il 3GPP model in cui la funzione PLOS(d) è calcolata in modo diverso a seconda dell’ambiente di riferimento, cioè se urbano, suburbano o altro. Tale modello è efficace per calcolare la probabilità del LOS ma è poco preciso nel calcolo del SINR. Un modello più semplice è il Random Shape Theory Model, in cui le BSs sono posizionate sul piano con un Poisson point process (PPP) e hanno un’area di copertura di forma casuale. La PLOS(d) ha la stessa forma del 3GPP model, ma si può calcolare il coefficiente C con più precisione. Un altro modello è il LOS ball model generalizzato dove PLOS(d) è una funzione a gradini dipendente dalla lunghezza massima di collegamento LOS, detta RB. Questo modello si adatta perfettamente alla funzione di copertura del SINR. Tutti questi modelli sono indipendenti dalla frequenza per fC > 15Hz e si differenziano a seconda dell’ambiente da misurare e della complessità del modello. 4 ARRAY DI ANTENNE L’uso di grandi array di antenne nelle BSs e nelle MSs è un elemento chiave nei sistemi cellulari a mmWave. Nei sistemi cellulari convenzionali ad ogni antenna era associata una catena RF per dire- zionare il fascio, ma un’architettura di tale genere non può più essere utilizzata per onde millimetriche in quanto i costi sarebbero troppo elevati e ci sarebbe un eccessivo consumo di potenza, perciò sono state proposte architetture ricetrasmittenti differenti. Il primo esempio è il beamforming analogico in cui il beamforming si compie nel settore dell’RF attraverso reti di phase shifters. I pesi dei mo- dulatori di fase sono sintonizzati per dar forma e guidare i fasci di trasmettitore e ricevitore lungo le direzioni principali della propagazione. Per trasmettere un simbolo s con un vettore Ntx ×1 di beam- forming fRF, dove Ntx è il numero di antenne, il vettore trasmesso sarà x = fRFs dove i coefficienti (fRF)n = ejθn,n = 1,2,...,Ntx indicano lo sfasamento dei phase shifters. Tale architettura è difficile 4
- 5. da estendere a flussi multipli o MIMO a causa della quantizzazione dei modulatori di fase, perciò è nata l’esigenza di ideare nuove strutture di antenne. La soluzione trovata è stata la precodifica ibrida che fornisce un compromesso flessibile tra le complessità dell’hardware e la prestazione del siste- ma. L’architettura è divisa in settore digitale e analogico, dove la parte digitale usa un numero di catene RF molto minore rispetto al numero di antenne e quindi consuma meno potenza, mentre la parte analogica permette di trasmettere segnali di dati indipendenti e separati. L’obiettivo comune di entrambe le architetture è quello di massimizzare il SNR, diventa perciò ragionevole progettare i vettori di beamforming per massimizzare il guadagno in una certa direzione θd desiderata, chiamata beamsteering. 5 MODELLO DI BASE Vediamo adesso gli aspetti principali del modello base della rete: • Posizione delle stazioni base: le BSs sono distribuite in modo indipendente secondo un PPP omogeneo φ di densità λ, con Xb posizione della b-esima stazione base. Le BSs sono supposte essere tutte esterne perciò le posizioni degli edifici sono ignorate; • Posizione degli utenti: gli utenti sono tutti esterni e distribuiti secondo un PPP indipendente φu di densità λu; • Bloccaggio: Le BSs vengono distinte in LOS (senza bloccaggi) e NLOS (con bloccaggi) dove la probabilità che un collegamento di lunghezza d sia LOS è PLOS(d) secondo uno dei modelli visti precedentemente. Le stazioni base LOS e NLOS formano due PPP indipendenti φL e φN; • Beamforming: Nel modello usiamo il beamforming analogico. Caratterizziamo il collegamento dell’utente tipico alla stazione base Xb con il guadagno di direttività totale Gb; • Modello path loss: vengono applicati diversi path loss exponents a seconda di collegamenti LOS o NLOS, in particolare per collegamenti LOS uso aL = 2 e per collegamenti NLOS uso aN = 4 in modo da semplificare il modello; 5
- 6. • Regole di associazione: il modello usa la regola di associazione con minima perdita del path loss, perciò ogni utente è associato con una singola BS, che non è detta essere la più vicina; In generale tale modello approssima in maniera sufficiente situazioni reali e sebbene il PPP sia una distribuzione ideale che presuppone posizioni di BS indipendenti, esso è stato usato per descrivere importanti osservazioni sull’andamento del SINR con distribuzioni reali di BS. 6 ESTENSIONI Il modello qui presentato è un modello di base che può essere esteso in molti modi, data la complessità e il grande spazio di progetto dei sistemi cellulari a mmWave. Innanzitutto è scontato che i sistemi a mmWave dovranno coesistere con la rete LTE e perciò bisogna progettare dei sistemi misti. L’idea di base è che gli utenti si colleghino principalmente a reti mmWave, se poi la qualità del collegamento si abbassa sotto una certa soglia, l’utente torna a una macrocella LTE. Altra possibile estensione è il modello per le reti a mmWave indoor, in cui si deve aggiungere al modello base le riflessioni interne dei muri, che agiscono come specchi, e le perdite per le divisioni che contribuiscono al path loss complessivo. Infine si possono introdurre nel modello base tecniche di MIMO più avanzate come il multiple spatial paths, il massive MIMO e la possibilità di avere informazioni di canale imperfette. 7 CONCLUSIONI L’uso dei sistemi cellulari a mmWave è allo stesso tempo molto vantaggioso ma anche molto com- plesso perché introduce numerose sfide di progettazione e obiettivi di ricerca. L’articolo ha fornito una panoramica di base per sollevare nuove ricerche in modo da collaborare nella comprensione e progettazione dei sistemi cellulari a mmWave. 6