Canal de radio comunicaciones en altas frecuencias Draft TG3d Channel Modelling Document (CMD) Daniel Patricio Yautbug Apugllon, Richar Arturo Yungan Guaman Ingenieria en Electronica y Telecomunicaciones Universidad Nacional de Chimborazo 060150 [email protected], [email protected] Resumen- The CMD contains descriptions of the propagation characteristics and channel models of the operational environments relevant for the considered applications I. INTRODUCCIÓN Figura 1: KIOSK use case A. Caracterización del canal La proximidad cercana P2P (300 GHz) con respecto al modelo de uso de comunicaciones inalámbricas P2P de proximidad cercana, se supone que el canal es una propagación de línea de vista en ondas milimétricas, banda de 300 GHz. En general, el modelo TSV se introduce en los sistemas PAN/LAN de ondas milimétricas en IEEE802.15.3c e IEEE802.11ad que funcionan a ambos a 60 GHz. Para el uso de comunicaciones de proximidad, se observan reflexiones dentro de los terminales y en la superficie de los terminales, etc. El modelo del canal se modificará para representar dichos mecanismos de propagación y la banda de frecuencia a 300 GHz. Front cover (window) Tx terminal Rx handset tx Figura 2: Wave propagation in KIOSK B. Peculiaridades de la propagación de ondas en KIOSK. En el caso de uso de KIOSK, existen las siguientes peculiaridades. Link is pear to pear and LOS La distancia de propagación de la onda es relativamente corta menos de 1 metro, la portada (ventana) existe entre Tx y Rx. El módulo Rx usa una antena de ganancia relativamente baja porque está equipado con teléfonos móviles. C. Metodología de medición Para aclarar un modelo de canal del caso de uso de KIOSK, se llevan a cabo algunos experimentos con el Vector Network Analyzer (VNA) calibrado de 2 puertos en 220 220 340 GHz. En los experimentos, las antenas de 25 dB disponibles en el mercado se utilizan como antenas Tx y Rx. Los parámetros S (S21) se miden cambiando la distancia Tx-Rx hasta 1,8 m utilizando una etapa automática. 300 GHz VNA heads La caja de Rx (caja del teléfono móvil) está hecha ocasionalmente por metal. Tx usa una antena de ganancia relativamente alta para evitar la pérdida de propagación. Tx se establece en un entorno bastante bien controlado como rodeado por un absorbente de onda. Automatic stage Figura 3: Configuración experimental 1.8ns t0 5.4ns 2t0 2t0 8.9ns Figura 4: Dos tipos de antenas de 25dB D. Pérdida de trayectoria de espacio libre Al principio, se miden las pérdidas de la trayectoria de espacio libre en varias frecuencias. El exponente de pérdida de 1.8 ~ 2.2 se deriva. Esto significa que no hay un efecto de desvanecimiento evidente en el enlace. Sin embargo, las pérdidas de trayectoria tienen variaciones de potencia en el máximo de ± 2.5 dB. Se piensa que estos vienen de reflexiones múltiples entre Tx y Rx. Figura 8: Amplitud (A) y retardo (B) de la trayectoria directa (cuadrado rojo) y la primera trayectoria reflejada múltiple (triángulo azul) La primera trayectoria reflejada múltiple de la Fig. 8 (A) muestra la disminución drástica a la distancia de unos 500 mm. Esto significa que una parte de la onda EM de la Tx no se refleja desde la placa de metal debido a su tamaño limitado en la distancia. La hora de llegada de la ruta directa (t0) y la diferencia entre los tiempos de llegada de la ruta reflejada y la ruta directa (2t0) es 1: 2, respectivamente. Estos resultados indican que la propagación de ondas en KIOSK se puede modelar como ruta directa y múltiples rutas reflejadas entre Tx y Rx. A. Suprimiendo la reflexión Figura 5: Pérdidas en la trayectoria del espacio libre en varias frecuencias (220, 240, 260, 280, 300, 320, 340 GHz) Para suprimir la reflexión, la placa metálica de la antena Rx se inclina. Las múltiples trayectorias reflejadas se reducen drásticamente al inclinar la placa metálica en la antena Rx como se muestra en la Fig. 8. Por lo tanto, se observa que la inclinación de la placa metálica que refleja la onda EM de Tx es efectiva para suprimir las reflexiones múltiples. (A) II. RETARDO DE POTENCIA Para confirmar el efecto de la reflexión, las placas de metal (20x20cm2) se unen a la antena Tx y la antena Rx como se muestra en la siguiente figura. Metal plate (20x20cm2) Figura 6: Placas metálicas unidas a la antena Tx y la antena Rx La siguiente muestra el perfil de retardo de potencia medido usando estas antenas. (B) Figura 9: Mide los perfiles de retardo de potencia. Hay una cubierta frontal (ventana) entre Tx y Rx en KIOSK. De este modo, se inserta una placa de PET (polietileno-telftalato) de 2 mm de espesor entre Tx y Rx, y se miden los perfiles de retardo de potencia. La Figura 9 muestra los resultados de los casos en que las placas metálicas y las placas PET no están inclinadas (i), solo la placa PET está inclinada (ii), y tanto la placa PET como la placa metálica en Rx están inclinadas (iii). (i) dispositivo alcanzan hasta casi 100 Gbps. Además, será posible el uso de multiplexación espacial y de dominio de frecuencia. El entorno operativo está restringido a unos 10 cm y generalmente atrapado por una carcasa de dispositivo. En consecuencia, podría explotarse un amplio rango de frecuencias, por ejemplo, entre 270 GHz y 320 GHz. A. Metodología de medición y peculiaridades generales del canal. (ii) B. En lo que sigue, las peculiaridades del canal de propagación dentro del dispositivo se introducirán mediante un conjunto de mediciones en un entorno de comunicación de placa a placa. El canal de transmisión consiste en dos antenas montadas en superficies opuestas muy cerca, sin obstrucciones entre las antenas. (iii) Figura 10: Perfiles de retardo de potencia de los casos en que las placas de metal y la placa de PET La Figura 10 (i) muestra que aparecen los dos nuevos picos (A, B) y cuyos valores de retardo dependen de las distancias desde las antenas. Estos provienen de múltiples reflexiones entre la placa metálica y la placa PET, lo que se confirma al inclinar la placa PET (ii). Cuando ambas placas de metal en el Rx y la placa de PET están inclinadas, las reflexiones se suprimen (iii). III. SISTEMA POTENCIAL KIOSK A partir de las mediciones anteriores relacionadas con la propagación de la onda en KIOSK, se puede pensar en el sistema KIOSK potencial como se muestra en la figura 4.10, es decir, Tx está rodeado por el absorbente de onda, la cubierta frontal (ventana) de la Tx está inclinada y se toca la caja Rx en la tapa frontal inclinada. Tx antenna Front cover (window) Tx Rx Figura 11: Escenario de comunicación de placa a placa Con esta configuración, se ha realizado una serie de mediciones ejemplares para obtener una primera visión de las características del canal. Las mediciones se han basado en una configuración que comprende un analizador vectorial de red junto con los módulos de extensión de frecuencia necesarios para alcanzar la banda de frecuencia entre 270 GHz y 320 GHz. La información sobre la configuración y la disposición mecánica. Como se ve en la Figura 12 a continuación, se han medido cuatro configuraciones con posicionamiento de antena diagonal. Las medidas comprenden dos tamaños de caja diferentes d, así como dos configuraciones de caja, una que incluye placas de circuito impreso (PCB) en la parte frontal y posterior y otra sin. Rx antenna & cases Tx Rx Figura 11: Sistema potencial kiosk Figura 12: Escenarios medidos de tabla a tabla A. Modelo de perdida de trayectoria La atenuación molecular puede ignorarse porque la distancia de transmisión a lo largo del uso de la aplicación es de un rango corto de hasta 50 milímetros. IV. COMUNICACIÓN INTA-DISPOSTIVO Según lo previsto en el ARD, las velocidades de transmisión deseadas para la comunicación inalámbrica dentro del En particular, se ha investigado el impacto de las placas de circuito impreso y el comportamiento del canal para las posibles subbandas. La Figura 13 muestra a modo de ejemplo un resultado de medición sobre el ancho de banda completo junto con los efectos que surgen cuando solo se evalúa una subbanda del canal completo. correspondientes. La estructura de las estadísticas del canal empleado se muestra en la Figura 15. Figura 13: Función de transferencia de canal medida (CTF) y respuesta de impulso de canal (CIR) La función de transferencia de canal (CTF) sobre el ancho de banda completo muestra el perfil típico de una ruta de propagación fuerte que interfiere con algunos ecos atenuados. Su transformada de Fourier, la respuesta de impulso de canal (CIR), revela un fuerte pico correspondiente a la trayectoria directa entre Tx y Rx, seguido de los ecos de señal esperados de las reflexiones dentro de la carcasa. Comparando el CIR del ancho de banda completo con el CIR de la banda de subbandas 1 entre 270 GHz y 280 GHz y la banda 3 entre 290 GHz y 300 GHz, se puede observar un canal variable para las dos bandas. Para la banda 1, el canal de propagación parece ser casi libre de ecos; los picos observados en el CTF de ancho de banda completo se reducen casi hasta el piso de fuga de FFT. A. Generacion de las funciones de transferencia de canal Las funciones de transferencia de canal (CTF) son generadas por una herramienta específica para generar funciones de transferencia de canal que se denomina generador de realización de canal (CRG). El CRG evalúa un conjunto de interdependencias estocásticas para las propiedades del canal que subyacen a la función de transferencia del canal, como la composición del grupo, los perfiles angulares en Tx y Rx, las pérdidas de trayectoria, los tiempos de llegada y las propiedades de polarización. Figura 15: Estructura de las estadísticas del canal subyacente B. Cluster Composition El componente más importante del CRG es la composición del clúster de cada canal. La composición del clúster es el conjunto real de componentes multitrayecto que se producen en la realización de un canal. Es obvio que una suposición incorrecta con respecto a la composición del clúster dará lugar a realizaciones de canal no válidas. La composición del grupo contiene implícitamente la estructura geométrica de las simulaciones de trazado de rayos subyacentes. Por ejemplo, el análisis de un largo pasillo conducirá a un conjunto diferente de agrupaciones e interrelaciones de agrupaciones que una habitación de oficina de forma cuadrada con divisores de habitación que, en algunos casos, pueden bloquear la línea de visión. El modelo de canal se deriva de un enfoque de trazado de rayos que se ha desarrollado para dar cuenta de las peculiaridades de las comunicaciones de proximidad e intra-dispositivo en el rango THz. Incluye la influencia electromagnética de plastic layers, metals and printed circuit boards. Moreover, the characteristics of Gaussian antenna profiles are included. Figure 16: Cluster composition C. Hora de llegada Figura 14: Trazado de rayos ponderado con perfiles de antena gaussianos A partir de los resultados del trazado de rayos, que se visualizan a modo de ejemplo, se extraen las características del canal con respecto a la composición del grupo, la pérdida de trayectoria y las propiedades de polarización, así como los perfiles angulares y temporales. Estas características se utilizan para configurar el CRG que se utiliza para generar un gran número de realizaciones de canal realistas (es decir, respuestas de frecuencia) para los casos de uso Después de generar la composición del clúster, se genera el tiempo de propagación de cada ruta (Hora de llegada, ToA). Se supone que los retrasos de propagación de los distintos tipos de clúster siguen las distribuciones normales. Para los clústeres de trayectoria directa, los tiempos de propagación se modelan directamente en función de su retraso a partir de los resultados del trazado de rayos. Para las rutas reflejadas, el retraso se modela en función de la demora relativa de la ruta directa correspondiente. De esta manera, se asegura que no se generan clústeres reflejados que tengan un tiempo de propagación más corto que el camino directo, lo que sería físicamente poco realista. La Figura 5 muestra dos distribuciones ejemplares que se han generado para agrupamientos de propagación mixta desde un escenario de comunicación específico. Figura Figura 17: Distribuciones de retardo ejemplares de dos grupos de segundo orden 19 . D. Perdida de trayectoria media En función de los tiempos de llegada del clúster, se genera la pérdida de ruta media de cada clúster. La pérdida de trayectoria media se define como el valor absoluto medio sobre la frecuencia para las respuestas de frecuencia de trazado de rayos de cada grupo. La pérdida de trayectoria media se evalúa para ambas polarizaciones. Se considera físicamente significativo que la pérdida de ruta es una función del retardo de ruta. Para la pérdida de ruta y todas las demás características que se modelan como relaciones funcionales, la forma subyacente de las funciones son polinomios de segundo orden. Aunque algunas dependencias pueden seguir diferentes formas funcionales a gran escala (por ejemplo, se considera que la pérdida de trayectoria en un canal sigue una relación exponencial negativa con el retardo de propagación), los polinomios de segundo orden son una manera suficiente de modelar las relaciones para Rangos de valores relativamente pequeños. Figura 18: pérdida de ruta de un componente LOS ejemplar E. Angulos de reflexion De la misma manera que los retrasos de ruta, los ángulos de reflexión iniciales de todas las rutas reflejadas se modelan como funciones del retraso de ruta. Sin embargo, no es necesario que estas funciones estén disminuyendo monótonamente. En cambio, diferentes geometrías pueden llevar a diversos tipos de relaciones, como se ilustra: en la REFERENCIAS [1] T. Kürner, I. Kallfass, K. Ajito, A. Kasamatsu, D. Britz, S. Priebe: “What’s next? Wireless Communication beyond 60 GHz (Tutorial IG THz),” IEEE 802 Plenary Session, IEEE 802.15 Document 15-120320-01-0thz, San Diego, July 2012, https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/12/15-12-0320-01-0thz-what-snext-wireless-communication-beyond-60-ghz-tutorial-ig-thz.pdf [2] S. Priebe, Towards THz Communications: Propagation Studies, Indoor Channel Modeling and Interference Investigation, Dissertation, Technische Universität Braunschweig 2013, Shaker Verlag 2013 Google Scholar [3] Itziar Maestrojuan, Iñigo Ederra and Ramón Gonzalo. “Use of COC Substrates for Millimetre-wave Devices”, Microwave and Optical Technology Letters, AID MOP28848. La tesis Development of Terahertz Systems for Imaging Applications ha sido dirigida por el catedrático de Teoría de la Señal y Comunicaciones, Ramón Gonzalo García, y se ha defendido ante profesionales de EE UU (Virginia Diodes), Alemania (ACST) y Holanda (Agencia Espacial Europea). [4] A. S. Meijer, G. Berden, D. D. Arslanov, M. Ozerov, R. T. Jongma, W. J. van der Zande: An ultrawide-bandwidth single-sideband modulator for terahertz frequencies. Nature Photonics (2016). DOI: 10.1038/nphoton.2016.182
