统计建模的天线:城市为LTE接入点设备交互

文摘

最新的无线网络,如LTE标准基本上是基于小细胞以达到一个大型的网络容量。这适用于天线部署在街道上,甚至在建筑。然而,天线通常设计、模拟和测量在理想条件下,这不是实际情况对于大多数应用程序来说,天线通常部署在靠近对象作为干扰发射机。本文三个传统无线接入点场景(antenna-wall、antenna-shelter和天线灯柱)研究了定向和全向天线。本文第一地址的定义等这样的场景,其次使用三个性能指标参数的统计分析墙和天线之间的相互作用。

1。介绍

随着新的无线通信系统和标准的发展,天线的基站或访问点更有可能部署在街道上靠近墙壁和城市家具除了传统的GSM网络天线安装在屋顶上很少有邻近的打扰者(1- - - - - -3]。周围的干扰的影响强弱,是非常敏感的天线位置和天线特性。不幸的是,天线通常设计、模拟和尽可能独立于其他测量,这是不现实的用例。例如,偶极子的辐射模式安装在墙高度不安,表明严重的性能下降omnidirectionality(见下文)。不幸的是,这种干扰是高度可变的行为和影响天线的不安地可预测的方式,细胞覆盖率方面产生了重要影响。后者可以定量评估通过,例如,射线跟踪的经验传播仿真工具,但它将是非常昂贵的计算的传播实现干扰天线的特性。出于这个原因,一个合理的方法是先建立一个统计模型对天线辐射行为,结合之前的模型模拟的传播。本文的目标,记住,统计模型借给自己的调优复杂性和准确性之间的权衡,根据参与统计分布参数的数量。例如,[4]给出一个示例系列扩展这种方法通过辐射模式。事实上,近距离的物体对辐射的影响的评估不是全新的。在[5- - - - - -7作者),例如,模拟和分析了天线辐射模式在屋顶,墙壁,旁边的汽车在一个确定的方式。在[8- - - - - -10)和许多其他论文,工作已经完成,以统计评估的影响,例如,人体对天线性能。不幸的是,尽管其相关性小细胞在无线网络中,没有做关于天线之间的相互作用与墙壁或城市家具。

在本文中,我们调查的影响,这种影响天线辐射模式,通过使用统计方法的分析。为此,我们首先定义理想天线领域的概念,它可以,例如,与天线的覆盖范围有针对性的街道。三种参数提出了量化的影响有关。其次,三个antenna-disturber交互场景(antenna-wall, antenna-shelter汽车站,天线灯柱上)。分析特别是试图检查是否正常或对数正态分布可以提供一个可接受的适合观察到分布,例如,电力收益。所有的结果是获得详细的事件天线的电磁仿真,使用CST [11]和WIPL [12商业工具。

2。部门的定义和性能参数

在与一个接入点的位置和性能天线,设计师主要旨在确保主光束将覆盖目标方向,受制于功率增益超过一定水平(13,14]。这也假定方向和倾角将带领充分从知道天线的几何形状。在本文中,我们解决全向和定向天线和我们试图评估环境的辐射功率扰动带来的影响,考虑到被认为是“部门”(定义为方位和仰角宽度)。理想情况下,辐射部门因此定义和用途,也就是说,作为一个规范的天线。然而,在实践中,真正的天线已经不能完全遵守规范。发生偏差对理想光束宽度和辐射功率配置文件,关于理想的概要文件(这是平在部门和空外)。第一个方面的天线nonideality因此将定义的性能标准孤立的天线。然而,这不是工作的目的,其目标是解决退化通过比较孤立的天线。从天线的角度设计,天线的主要梁应包括所有感兴趣的方向完全匹配该行业经营者的要求。由于这些理由,该行业将是从孤立的天线的特点定义为矩形角坐标的季度电力隔离天线的波束宽度(−6 dB的最大值),在E面和H面,完全定义的高度和方位角度,,,。在一个全向天线的情况下,只有海拔波束宽度需要定义,并相应地调整下面的参数。

在实践中,这个定义还没有完全足够,因为辐射模式频率相关。因此,在分析进行的部分3和4独立,一个独特的频率天线产业选择与该行业最窄波束宽度的设置考虑频率。

鉴于这种行业的定义,提出了三个重要的统计参数,以量化的能力天线辐射最优考虑部门。之前,需要定义一些数量。

代表部门中表达效率(1),是孤立的(参考)的功率增益天线吗,方位角和高度角,分别如下:

这个量基本上表示,并非所有的辐射功率下降在部门内,即使是孤立的天线,由于事实从基本原则的一部分,必然辐射泄漏的部门。

下面的表达式是干扰天线的功率增益。是部门的立体角区域。

这三个性能参数如下。(我)归一化”部门功率增益”(ISPG) 在哪里代表总效率(匹配效率+辐射效率)的孤立的天线。(2)部门的规范化”意味着功率增益”(ISMPG)在部门内 这是一个规范化的因素。由于这个因素,因此可以理解为角平均功率增益的部门,规范化的孤立的天线行业效率和总效率。将这个正常化的原因的因素是,该行业效率和总效率依赖于频率,甚至孤立的天线。通过正常化,我们保留只由于干扰的影响而不是孤立的非理想天线。(3)“在行业标准偏差的功率增益”(ISSDPG)在部门内

基本上,这三个参数告诉我们如果辐射功率是恒定的,足够高的部门,对于孤立的天线。ISPG包含所有的辐射功率值在部门内的各个方向,因此,为我们提供了非常详细的关于天线辐射特性的信息。ISMPG告诉我们什么是平均,获得行业内的天线,是否高于一个孤立的天线。ISSDPG告诉到什么程度,获得偏离这意味着价值,换句话说辐射模式是否持平或部门内的不同。累积分布函数(CDF)这三个参数为我们提供了一个显示的总特征变化的辐射模式和他们将以下部分所示。

3所示。天线在靠近墙

在本节中,我们考虑到实际重要的天线放置在墙上。

3.1。分析定向Antenna-Wall交互

在本节的第一部分,两个patch-wall配置(图1)。

为了模拟真实的场景中,我们设计了一个空气贴片天线操作从1.7 GHz 2.1 GHz靠近墙,其特点是数据所示2- - - - - -4。鉴于电力辐射模式在低频率越来越窄,1.7 GHz的部门选择的角度,在度的定义部分2。这个补丁天线是定向天线,这可能是部署在两个配置:一个平行于墙以覆盖区域沿着街;另一个是垂直于墙为了掩盖一个广阔的区域内,街道,广场,等等。

补丁和墙参数如图位置1和表1,分别。仿真的频率点选择从1.7 GHz 2.1 GHz的潜在的LTE乐队。墙的介电常数选择3到5不等,根据常见建筑材料参数(15]。其他参数确定基于典型建筑结构和天线部署的经验由天线商业公司提供。有81为每个配置和实现所有电磁模拟都使用CST。在模拟天线和材料损耗。因此,认为影响是完全相关的阻抗不匹配或辐射模式的(主要)降解形状。

数据5和6揭示了严重影响墙的贴片天线辐射模式在这两种情况下,即使在并行的情况下,这不是很直观,因为通常假定辐射主光束几乎没有影响。它可以在图中找到5主射束方向推动antenna-wall时离墙距离减少。这种现象是显而易见的,因为原来的下半部分主瓣经历墙与另一半反思和总结。距离越小,越墙的反射和反射角度越大。为了代表主声束方向,知道它是如何影响这种效果,我们使用的平均辐射方向(MRD)提出的Fleury [16),比最大获得更稳定的方向发展。MRD是基于下列向量: 在哪里。从这意味着向量,我们可以提取MRD的方向。

图7突出的分布意味着方位角在实现的集合。注意区别之间的MRD干扰天线和天线隔离是32度,与墙的距离成反比。而不是垂直的情况下,并行情况下几乎是对称的,因此,意味着方向不会改变明显比孤立的天线,见图6。

数据8和9显示的聚合ISPG分布两种情况下,在每个频率和频率完全。由于总和部门效率正常化,统计数据的主要频率依赖被移除和更好的结合。的最佳分布是高斯绘制比较。注意,在图6可以看到,几个null,这是由于部分阻塞的辐射方向穿透墙壁,和部分严重的相消干涉的结果在第一和第二反射界面的墙,导致了长尾理论在图8低增益值。这种效应会更清楚地看到在全向天线的情况下。尾巴等其它antenna-disturber交互的例子,分析了广义极值分布或高斯混合分布的9,10]。

图10显示了前者的ISMPG场景。正如所料,因为补丁的主瓣平行于墙,由于强大的波反射的部门,部门内的平均收益小于孤立的天线。注意到墙的距离越短,比例越大的权力从墙外的部门反映,导致更少的平均收益,如下所示。然而,在后一种情况下,很难找到一个正则分布的平均获得(图11)。而墙反射应该增加电力行业内相消干涉(例如,1.71 GHz)有时会变弱增益。

图13显示了垂直ISSDPG累积分布的场景和人物14显示了相同的参数为平行的场景。三个频率组合的结果在这两个数字是为了构建一个全球的统计分布。获得的偏差在平均范围从2.7 dB在图5.9 dB12从图1.6 dB - 3 dB13。我们观察到适合的高斯分布曲线,平均和标准偏差(,)(4.12,0.84)第一场景和dB (2.26, 0.29) dB第二场景。高斯分布的平均值在第一个场景中比在第二个因为当补丁垂直于墙,墙上反映了辐射功率的下半部分部门到上半部分,削弱前者和增强后者。这导致一个大区别的上下部分的模式。

3.2。分析全向Antenna-Wall交互

第二组的模拟,我们认为是垂直偶极子阵列,金属支持连接到墙上,如图14,再次操作在同一带宽内为了与定向天线情况。仿真参数表中列出2再次提供27实现3频率。由于偶极子阵列的辐射模式是全向方位平面,偶极子阵列的部门只限制了仰角(=(65、115))根据其−6 dB波束宽度。

首先,ISPG的方位模式和分布给出数据15和16。提供的长尾,类似于patch-wall场景中,由于一些辐射模式null,显示在图15。一些电磁波辐射对墙上的反映在其表面附近有些穿透墙壁,反映在第二个接口。这两个倒影,一起直接波,造成建设性和破坏性干扰,形成不规则的模式。其次,即使墙上显著干扰辐射模式,大部分的权力在方位平面辐射,不仅导致不变平均获得部门(这里没有显示),但也导致一个大偏差的意思。图17显示了CDF的ISSDPG频率再次揭示出正态分布与数据的吻合程度很好。符合高斯分布的参数(,)=(4.08,0.29)数据库,它告诉我们,在每个模式的标准差并不是严重依赖于特定的实现。大型ISSDPG意味着考虑行业内的增益值深感不安,不表现好与孤立的全向天线,因此天线性能退化。

4所示。天线部署城市家具

在考虑4 G无线网络的部署计划,小细胞和家庭基站以及继电器是最广泛提倡。这意味着将天线非常接近用户和尽可能多的看不见的。然后的集成天线到城市家具是一个严肃的选择。事实上,这样的设备是非常普遍的在所有的现代城市,运输或其他公共服务的一部分,它可能会可以为安装和维护与维修公司合同4 G网络天线。此外,这些设备通常是连接;然而,如上所示,城市家具可能会引起强烈的天线性能退化,导致无法控制的变化的辐射模式。为了定量地研究这个问题,两个场景被认为是在这里,是一个全向天线选定了一个公共汽车站收容所介电屋顶,见图18和一个定向天线连着一个灯柱(图23)。

这些设计的灵感来自一个真正的公车候车亭和灯。

4.1。分析全向Antenna-Shelter交互

在本部分中,模拟天线是一种超宽带(UWB)双锥体,旨在从200兆赫到3 GHz图操作19。

与上面的情况下,只考虑频率范围从1.7 ~ 2.1 GHz,这种情况下考虑一个更广泛的乐队从200年到3000 MHz。原因源于频段考虑对LTE的大的变化,在某些情况下会降至400 MHz(例如,为私人移动无线电应用程序所使用的民事安全部门,警察部队,等等)。

其他的参数(1)每200 MHz频率点:200至3000 MHz;(2)介电常数的塑料屋顶:3;(3)屋顶的大小(毫米):1800 * 810 * 3.6。

超宽频天线被认为是位于汽车站的屋顶之上,根据一个统一的空间分布。在实践中,天线位置是分布在一个矩形网格,增量长度450毫米和202.5毫米的宽度。这导致25天线位置为每个频率点。所有使用WIPL-D模拟进行。

由于超宽频天线近完美的旋转对称,孤立的天线模式非常无方向性。高程也是非常广泛的,虽然从~ 1.2 GHz以后,它开始多模,转化为结构化的高程形状。这种现象负责稍微降低获得在这些频率的水平面。

在前面的小节中,统计参数在不同频率已经聚合在一起。然而,在本节中,将显示在单独的频率点的统计参数,为了充分揭示可能经常与频率变化。除此之外,自“部门”意味着立体角的领域我们有兴趣或者天线打算辐射,部门已经调整的范围以观察ISPG的变化。发现该行业的角度,度,所以我们将展示结果与部门,。

图的左栏20.展品为antenna-shelter场景ISPG分布在每个频率,而正确的列显示相应的孤立的ISPG分布天线。自然在这种情况下,分布很窄,只源于辐射图的形状,这不是各向同性的。在图20.,三个部门海拔波束宽度的值已被选定(130°、110°、90°从上到下)为了测试这个参数分布的鲁棒性。

TE正常化和SE,不同频率的曲线更接近,更容易比较。通过观察孤立天线ISPG情节,我们看到,低增益的尾巴是短的部门越来越窄,尤其是低频(绿色曲线)。这是因为在更广泛的领域,更多的低功率增益值来自高角度所涉及的辐射模式在低频率。高频率通常意味着广泛的波束宽度。即使第一部门是最广泛的,它仍然不能赶上许多低功率值的获得。因此,高频率的辐射模式变化少的限制。

ISPG分布对于干扰天线的情况,相比之下,少不同部门的大小减少时,这也证明了鲁棒性选择的部门。自从ISPG自然是不对称分布的因为可以极低的功率增益(null),但不能极高,高斯分布不适合这种情况下,即使它在之前的场景中表现良好。广义高斯分布(GGD),其形状参数可以用来介绍斜,提出了适合ISPG分布。正常化后,发现曲线遵循广义高斯分布远比高斯分布。拟合优度将在未来的学习工作。

图21揭示了介质产生负面影响的屋顶,超宽频偶极子的频率执行一个小比孤立的天线。随着频率的增加,ISMPG偏离参考差异2.3 dB。高频率通常比低频率转化为更严重的退化。从辐射的角度主要叶取向,屋顶不向下屏蔽辐射,从而为下面的用户信号检测屋顶仍然是可以实现的。ISSDPG分布如图所示22金属框架,揭示主要增加ISSDPG的方差。ISSDPG的平均价值和差异在一个频率超过2.5 dB和1 dB,分别。金属框架创建建设性和破坏性的推理的强反射,增加ISSDPG和削弱辐射在部门内的稳定性。

4.2。定向天线灯柱交互分析

为了模拟场景:一个定向天线部署在灯柱,已经建立了一个模拟环境,如图23。类似于定向antenna-wall场景中,有3种输入参数(表中列出3的材料),灯柱被派克(完美的电导体)。参数的变化代表了可能的位置和可能的类型的灯柱的LTE接入点将部署。

如图24,因为辐射波的反射的金属灯柱,波束宽度窄无论频率。孤立的天线相比,干扰天线的主波束在2.1 GHz几乎是分配部分,导致高ISPG正常化后,这意味着改善部门效率高在2.1 GHz扰动。这种效应可以很容易的提供ISPG(图25)。

孤立的天线,部门效率在2.1 GHz 0.36,这意味着较低的归一化因子。但对于干扰天线,主要梁在三个频率点都集中在该行业。换句话说,该行业效率高度改善特别是在2.1 GHz,比除以一个较低的归一化因子。因此,解释为什么ISPG 2.1 GHz大于参考天线(孤立)。与此同时,人们可以观察到在1.7 GHz ISPG小于参考因为与灯杆交互提出了天线的输入回波损耗(dB)。这样一个不利的回波损耗损害和削弱了辐射功率的部门,导致低ISPG。

合身的广义高斯分布曲线绘制,与聚合ISPG CDF曲线比较。然而,单个频率的曲线是太远离彼此,只有聚合曲线建模是不足以找到frequency-specific分布而ISMPG和ISSDPG建模在个别频率也很重要。ISMPG(图26)三个频率与参考ISMPG很小的变化分布。这意味着权力的部门效率或部分辐射在所需的方向在1.9和2.1 GHz比孤立的天线,这质量不会改变太多灯柱的形状和高度的天线由于一个小变化。

灯罩上的天线,辐射向上将反映到地面,造成强大的梁向下和向上一个空,可以观察到在图24。由于如此大的辐射功率的变化,ISSDPG必须大,如图27。同样,由于标准化因数和低在1.7 GHz,曲线是分开的。合身的高斯分布一直密谋说明聚合ISSDPG很难被高斯分布建模。第一或第二中央的时刻ISPG (ISMPG或ISSDPG)不能极低或高在这个场景中,所以他们的价值观有上、下边界可能是正确描述由一个线性模型(均匀分布)。

5。结论

在本文中,我们提出了模拟的结果全向和定向天线的性能,在靠近墙,公车候车亭,和一个灯柱,作为示例4 G接入点的接入点位置继电器、或基站。部门的概念被应用为重点统计分析由这些干扰发射机天线模式的退化的希望和不必要的辐射方向。三个参数评估天线性能和降解,这可能是为了建立一个统计模型,使用已定义的。

结果表明,对数正态分布(高斯在dB)通常近似服从了,至于收益考虑部门的力量。这是真的对于antenna-wall场景,在antenna-shelter和天线灯柱场景,ISPG似乎遵循广义高斯分布。在大多数情况下,除了patch-lamp场景,ISPG的平均值小于参考天线,由于反射周围的干扰。antenna-wall ISSDPG遵循一个对数正态分布的情况下,从1.7 GHz频段内的2.0 GHz定向和没有方向的天线。对于其他场景,其分布应当仔细调查未来的工作。这个平均值和偏差的统计分析获得考虑部门可能有助于升值带来的问题天线部署在小细胞在街道上,在天线的位置必须在地方强干扰。在未来,辐射模式的频率和角关联将调查,和统计参数的拟合优度评价研究。

确认

这项工作部分进行了资助RECOSS项目在法国竞争力集群”系统。“作者感谢y Lostanlen (SIRADEL)对他工作的支持和鼓励。

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