Alisylejmani1992/sandbox

5G- Modelet e perhapjes se sinjaleve 

 1. Hyrje 
Rrjetat pa tela të gjeneratës së pestë (5G) priten të funksionojnë si në brezin e frekuencave mikrovalore ashtu edhe në brezin e valëve milimetrike (mmWave), duke përfshirë frekuencat në intervalin nga 24 deri në 86 GHz.

Kanali i radios është thelbësor për komunikimet me valë. Pothuajse çdo aspekt i komunikimeve me valë, duke filluar nga dizajni i pajisjëve dhe dizajni i sistemit e deri te performanca e sistemit, varet nga kuptimi i saktë i performancës së radio sinjaleve kur ato përhapen neper një radio kanal. Prandaj, modelimi i një radio kanali është jetik për kërkimin e komunikimeve pa tela.

Modelet e përhapjes së radios përdoren për të ndihmuar inxhinierët të dizajnojnë, te vendosin dhe te krahasojnë teknologjitë e ndryshme me valë te cilat pastaj do të kenë një ndikim të thellë në vendimet e pothuajse te çdo aspekti të komunikimive me valë.

 2. Përhapja e valëve milimetrike ne rrjetin 5G 
Rrjeti aktual celular operon kryesisht në brezet e frekuencave nën 3 GHz dhe spektri total i licencuar i përdorur sot është afërsisht 1 GHz. Meqenëse shumica e brezëve të frekuencave nën 3 GHz janë të zëna dhe shfrytëzimi i spektrit të ndërfaqës ajrore po i afrohet kufirit të kapacitetit të saj , vëmendja për rezervimin e spektrit të ri për rrjetet 5G është zhvendosur në brezat e frekuencave mbi 3 GHz.

Shpejtësia shumë e lartë e të dhënave dhe kapaciteti shumë më i madh i sistemit mund të arrihet duke përdorur valë milimetrike. Valët milimetrike janë pjesë e teknologjisë 5G.

Prandaj, komunikimi me valë milimetrike, i cili mundësohet nga gjerësia e madhe e brezit është i mundshëm aktualisht ne rrjetet celulare 5G.

Shumica e karakteristikave dhe modeleve ekzistuese të kanalit nuk janë të realizueshme në brezin e vales milimetrike për shkak të faktit se karakteristikat e përhapjes së kanalit janë të ndryshme nga ato të brezave nen 3 GHz. Prandaj, njohuritë themelore të karakteristikave të shpërndarjës së kanalit te valeve milimetrike, duke përfshirë modelet e sakta dhe të besueshme të tyre, janë jetike për zhvillimin e sistemeve të komunikimeve me valë 5G.

Gjatë viteve te fundit kemi pasur përpjekjë të mëdha nga shumë kompani dhe grupe kërkimore   ku janë kryer matje dhe janë paraqtiur shumë skenar ne lidhje me shpërndarjën e kanaleve milimetrike.

 2.1. Karaketeristikat themelore te valëve milimetrike 
Komunikimi me gjatësi valë te rendit milimetrik ka disa karakteristika themelore, duke përfshirë brezin me gjerësi të madhe, gjatësi vale të shkurtër, humbjë të medha gjate perhapjes, humbjë të lartë gjatë penetrimit, gjerësi të ngushtë të rrezës etj. Në vijim do të flasim shkurtimisht rreth tyre.

 2.1.1. Gjerësia e madhe e brezit 
Aktualisht, gjerësia totale e brezit të disponueshëm për rrjetet celulare duke përfshirë 2G, 3G dhe 4G është më e vogël se 780 MHz, e cila nuk është e mjaftueshme për kërkesat si transmetimi apo komunikimi me shpejtësi të lartë të të dhënave nga pajisjet e ndryshme. Krahasuar me komunikimin tradicional me mikrovalë, një nga përfitimet kryesore të komunikimive milimetrike është gjerësia e brezit dukshëm më i madh. Edhe pse ka disa breza të pafavorshëm, si 57-64 GHz dhe 164-200 GHz, të cilat absorbohen lehtësisht nga oksigjeni dhe avujt e ujit. Gjerësia e brezit të përshtatshëm për komunikimet milimetrike mund të jetë akoma më shumë se 150 GHz dhe shpejtesia qe mund te arrihet nga i gjithe spektri mund te shkoj deri ne 150 Gbps. 

 2.1.2. Gjatesi valore te shkurter 
Nëse krahasojmë sinjalet mikrovalore me sinjalet milimetrike atëherë vërejmë se ato milimetrike kan një gjatësi valore shumë më të shkurtër, e cila është në rendin e milimetrit. Prandaj, MIMO/MIMO masiv konsiderohet thelbësor për komunikimet milimetrike, pasiqe gjatësia e shkurtër e valës në frekuencat vales milimetrike është e dobishme për të mundësuar pershtatjen e një numër të madh antenash të vendosura me gjysmë gjatësi valore në një zonë të vogël. Një sistem antenash në shkallë të gjerë ka aftësinë për të përmirësuar ndjeshëm efikasitetin spektral. Kombinimi i valëve milimetriike dhe MIMO masiv kan potencialin për të përmirësuar në mënyrë dramatike qasjën me valë dhe performancën e qarkullimit.

 2.1.3. Humbjet gjate perhapjes neper ajer 
Në përgjithësi, humbjët gjatë përhapjes mund të interpretohen si humbjë gjatë rrugëtimit si edhe si humbjë depërtimi. Nën supozimin e linjës së shikimit (LOS), humbja gjatë përhapjës nëpër hapësirën e lirë është proporcionale me katrorin e frekuencës së bartësit sipas formulës së Friis per transmetim.

Meqenëse diapazoni i frekuencës së valeve milimetrike është nga 26,5 GHz në 300 GHz, humbja e përhapjes është shumë më e lartë se ajo në brezin e mikrovalëve. Për shembull, është 28 dB më e lartë në 60 GHz sesa në 2.4 GHz . Megjithatë mund te aplikohet nje antenë e ashtuquajtur antenë me drejtim dhe fitim të lartë për të kompensuar humbjën e madhe gjatë përhapjës.

Edhe pse humbja e jashtëzakonshme është një nga disavantazhet e këtyre valëve, ana pozitive është se kombinimi i valëve milimetrike me komunikimin nga pajisja në pajisje (D2D) ka ndërhyrje relativisht të ulët të shumë përdoruesve për shkak të humbjës së lartë të përhapjës dhe përdorimit të antenave të drejtimit. Ky kombinim mund të mbështesë sasi të mëdha lidhjësh të njëkohshme D2D, ashtu që kapaciteti i rrjetit mund të përmirësohet më tej. Përveç kësaj, mund të arrihet një siguri më e lartë kundër përgjimit dhe bllokimit. Në skenarët non-line-of-sight (NLOS), humbja e depërtimit është zakonisht më e madhe në frekuenca më të larta. Për shembull, humbja është rreth 178 dB për një mur me tulla dhe 20 dB për një tabelë të lyer.

Prandaj, është e vështirë të mbulohen hapësirat e brendshme me antena te valëve milimetrike që janë të vendosura jashtë. Për përdoruesit e brendshëm që lidhen me stacionet bazë të jashtme (BS), sinjalet duhet të kalojnë nëpër muret e ndërtesës. Kjo përhapjë mund të pësojë një humbje shumë të lartë depërtimi, e cila degradon ndjeshëm shpejtësinë e të dhënave, efikasitetin spektral dhe efikasitetin e energjisë. Sa më e lartë të jetë frekuenca e transmetuesit, aq më e keqe do te jetë rezultati. Prandaj, skenarët e jashtme dhe të brendshme priten të ndahen në arkitekturën e ardhshme celulare ne rrjetat 5G.

 3. Modelet e rrjetit 5G per skenare te ndryshem te perhapjes 
Modelet e skenarit të përhapjes që mund të merren parasysh për sinjalet 5G në frekuencat e valëve milimetrike mund të përdoren për të vlerësuar ndikimin e kanalit të komunikimit, duke marrë parasysh veçoritë e mjedisit. Për shkak të zbutjës së lartë të sinjalit në intervalin e valëve milimetrike, modelet e përhapjes janë thelbësore për analizimin e duhur të buxhetit të lidhjes dhe për propozimin e kundërmasave për të kapërcyer kufizimet e kanalit. Në këtë seksion, janë paraqitur modelet më të rëndësishme të përhapjes për sinjalet 5G në valë milimetrike.

 3.1. Modeli KOST 2100 
Modeli COST 2100 është një kanal me model stokastik te bazuar në gjeometri (GSCM) , që merr në konsideratë vonesat duke analizuar gjeometrinë në mjedise me objekte që bëjnë pjesë në shpërndarjen e sinjalit. 

Kanal i thjeshtuar ketu paraqet mbivendosjën e shtigjeve të ndryshme për shkak të ndërveprimit midis valëve të radios dhe objekteve, i cili prezanton komponentët me rrugë te ndryshme (MPC). MPC-të karakterizohen me vonesa, Azimuth te Arritjes (AoA), Azimuth te Nisjes (AoD), lartësi te mbërritjës (EoA) dhe lartësi te nisjes (EoD) .

Ky model i kanaleve bazohet në grupime që mund të klasifikohen sipas përbërjes dhe pozicioneve te tyre me lidhjën . Grupet lokale janë ato rreth pajisjeve të përdoruesit (UE) dhe stacioneve bazë (BS). Ato kanë një përhapje të gjithanshme. 

Përveç kësaj, COST 2100 mund të përdoret për një gamë të gjerë frekuencash, që variojnë nga 0,45 GHz deri në 100 GHz.

 3.2. Modeli 3GPP TR 38.901 
Modeli 3GPP TR 38.901 është një pjese e zgjatur e modelit 3GPP TR 38.900 për frekuenca deri në 100 GHz. Ky model mbështet makroqeliza urbane (UMa), mikroqeliza urbane (UMi) dhe skenarë të brendshëm. Modeli 3GPP TR 38.901 mund të përdoret për një gamë frekuence nga 0.5 deri në 100 GHz. Për dizajnimin e ketij modeli, është e nevojshme të përcaktohen kushtet e mjedisit, si lloji i antenave qe do te përdorura nga pajisjet, skenari (UMi, UMa, ose hotspot i brendshëm (InH)), frekuenca dhe gjerësia e brezit. Gjithashtu, është e nevojshme të përcaktohet nëse gjate rrugetimit te kanali paraqiten skenaret LOS ose NLOS si dhe te bëhet vlerësimi i humbjës gjatë rrugëtimit. Modeli gjeneron parametra te shumtë, të tilla si zbehja e hijës dhe përhapja e vonesës. Vonesa e grupimit dhe fuqia e grupimit krijohen duke marrë parasysh këndet e mbërritjes dhe të nisjës për lartësinë dhe azimutin. Se fundi qe është me rendësi te përmendet është se ky model merr në konsideratë fazat e polarizimit dhe ato te rastësishme si dhe gjeneron humbjën gjatë rrugetimit për çdo grup (ang. Cluster) .

 3.3. Modeli METIS 
Projekti METIS ka bërë kërkesa shtesë për rrjetet 5G . Për të vlerësuar realizueshmërinë e këtyre kërkesave, projekti METIS propozoi gjithashtu një model kanali që çon në një mjedis te përhapjës ku merren parasysh disa pengesa (ndërtesa, automjete, shtëpi, njerëz etj.) si dhe dukuritë kryesore gjatë përhapjes (reflektimi, difraksioni, hijezimi dhe shpërndarja) qe janë te lidhura me proceset e njohura si LOS dhe NLOS.

Gama e frekuencës për modelin e kanalit METIS varion nga 0,8 deri në 60 GHz për UMi dhe nga 450 MHz deri në 6 GHz për UMa. Ky model i përhapjës mund të mbështesë MIMO dhe përdoret gjerësisht si një GSCM .

 3.4. Modeli D. NYUSIM 
NYUSIM është një imitues kanalesh me burim të hapur i zhvilluar nga Universiteti i Nju Jorkut, i cili është i bazuar në disa matjë te frekuencave me valë milimetrike te brezit nga 28 në 73 GHz. Ketu janë paraqitur skenar te ndryshëm si UMa, UMi dhe makro celulat te vendeve rurale. NYUSIM krijon funksione të mostrës së përgjigjëve impulsive të kanaleve hapësinore dhe kohore (CIR) për modelet e kanaleve me drejtim direkt dhe gjithëpërfshirës. Ai siguron një analizë të saktë të CIR-ve në hapësirë dhe kohë, si dhe per nivele te sinjalit. Softueri është i zbatueshëm për një gamë të gjerë frekuencash, që variojnë nga 500 MHz deri në 100 GHz dhe me gjerësi te brezit deri në 800 MHz. Janë duke u realizuar punime te vazhdueshme për të zgjatur modelin deri në 140 GHz, te cilat pastaj do të shtohen në softuer në verzionet e ardhshme . NYUSIM përdor modelin statistikor të kanalit papësinor (SSCM) me grupime kohore dhe lobe hapësinore për të modeluar modelin CIR te gjithëperfshirur dhe spektrat e fuqisë nga azimuthi i mbërritjes (AoA) dhe azimuth i nisjes (AoD) .
 3.5. Modeli E. mmMAGIC 
Projekti mmMAGIC ka zhvilluar një model kanali që është një pjesë e zgjatur e modelit të kanalit WINNER, i cili ka qëllimin për të mbuluar Radio Access Technology (RAT) që funksionon në intervalin e frekuencave nga 6 deri në 100 GHz. Ky model bazohet në të dhënat e matura dhe te simululara. Janë realizuar të paktën 20 fushata matjëje në më shumë se 8 breza frekuencash në 5 vende evropiane. Modeli i kanalit mmMAGIC zgjëron GSCM-të aktuale duke mundësuar veçori dhe aplikacione të reja. Përmirësimet kryesore janë shtimi i efekteve të bllokimit, reflektimi i tokës, humbja e depërtimit në ndërtesë, vargje të mëdha antenash, gjerësi brezash më të mëdha dhe sigurimi i qëndrueshmërisë hapësinore. Këto veçori mmMAGIC janë implementuar në Gjeneratorin Quasi Deterministic Radio Channel (QuaDriGa) 2.0 , i cili është softuer me burim të hapur për emulimin e kanaleve.

 3.6. Modeli 5GCM 
5GCM është një pjesë e modelit të kanaleve me valë milimetrike te rrjetit 5G e themeluar nga Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë (NIST) me pjesëmarrjën e disa kompanive dhe universiteteve, si Huawei, Qualcomm dhe Universiteti i Nju Jorkut. Skenarët e mbuluar nga 5GCM janë kanioni i rrugës urbane UMi, sheshi i hapur UMi, outdoor-to-outdoor (O2O), O2I, UMa O2O, UMa O2I dhe InH. Modeli bazohet në modelin e kanalit të përhapjës 3GPP-3D dhe karakteristikat kryesore janë humbja e depërtimit, humbja e rrugës dhe bllokimi për skenarët LOS dhe NLOS .

 3.7. Krahasimi i modeleve 
Për të krahasuar humbjët gjatë rrugëtimit midis modeleve të paraqitura dhe një matje reale, është paraqitur një skenar i specifikuar i cili është bazuar në matjët nga  qe ka qenë bazë. Matjët janë kryer në 73 GHz duke marrë një antenë me lartësi prej 110m dhe një lartësi të antenës pranuese prej 2m. Fig. 9 paraqet krahasimin e modeleve të humbjes së rrugës në skenarin e specifikuar, duke përfshirë matjet nga . 

Modelet 5GCM dhe 3GPP paraqesin pjerrësi të ngjashme, e cila përafrohet me të dhënat e matura në të gjithë intervalin e distancës.

 4. Karakteristikat e përhapjës së valeve milimetrike në brezat e 5G 
Siç u përmend edhe me heret, karakteristikat e përhapjes së frekuencave të valëve milimetrike janë të ndryshme nga brezat nën-3 GHz. Gjithashtu, çdo frekuencë në spektrin e madh të valëve milimetrike kane karakteristika të ndryshme te përhapjese, prandaj, studimi i karakteristikave të brezave potencial për 5G ndihmon drejt kuptimit më të mirë dhe modelimit të sakte të kanaleve te valeve milimetrike për skenarë të ndryshëm me qellim te vendosjes se rrjetit 5G. Në këtë seksion do të shqyrtojmë karakteristikat kryesore të përhapjes së valës milimetrike, duke përfshirë përhapjen e hapësirës së lirë, humbjet atmosferike, zbutjen e shiut, depërtimin ne materiale dhe koeficientët e reflektimit.

 4.1. Humbjët atmosferike 
Komunikimet celulare me valë milimetrike vuajnë nga një humbje më e madhe e përhapjes që shkaktojnë molekulat e gazit në atmosferën e Tokës, krahasuar me sistemet me valë mikrovalore në frekuenca më të ulëta bartëse. Humbja atmosferike, e cila quhet gjithashtu dobësim nga gazi, shkaktohet nga molekulat që thithin një pjesë të energjisë së përhapjes së valëve dhe vibrojnë proporcionalisht me frekuencën bartëse . Dobësimet e rënda në valët milimetrike shkaktohen nga gazi i oksigjenit (O2) dhe gazi i avullit të ujit (H2O)    . Ka disa faktorë të tjerë të ndërlidhur si temperatura, lartësia, presioni dhe më i rëndësishmi, frekuenca e bartësit të funksionimit që përcakton intensitetin e përthithjes së gazit .

 4.2. Zbutja e shiut 
Zbutja e reshjeve dhe humbjet për shkak të shiut janë mjafte te konsiderueshme në valë milimetrike. Pikat e shiut janë afërsisht në të njëjtën madhësi që gjatësitë e valëve të radios janë në frekuencat e valëve milimetrike. Prandaj, sinjalet e valëve milimetrike bllokohen lehtësisht nga pikat e shiut, në të cilat si rezultat, energjia e sinjalit shpërndahet dhe forca e tij humbet  . Bazuar në disa raporte, zbutja e shiut varet nga shkalla e reshjeve. Është raportuar se për shiun më të dendur, humbja e sinjalit të shiut rritet. Të dhënat nga matjet eksperimentale në 70 GHz tregojnë se në një situatë me shi të lehtë me 1 mm në orë humbja e sinjalit është rreth 0,9 dB/km dhe ndërkohë, për një shpejtësi më të madhe shiu prej 50 mm në orë kemi një rritje eksponenciale te humbjeve në 18,4 dB. /km. Për më tepër, ndikimi i shiut është i ndryshëm në brezat e ndryshme të frekuencabe te valëve milimetrike. Në të njëjtën shkallë te shiut, frekuencat më të larta pësojnë humbje më të mëdha. Krahasuar me rrjetet tradicionale pa tela në brezat e mikrovalëve, zbutja e shiut në valën milimetrike dhe brezat e caktuar nën-100 GHz për 5G janë më problematike. Megjithatë, me një komunikim më të shkurtër në rendin prej 200 m, humbja e rrugës për shkak të zbutjes së shiut nuk është e rëndësishme. Kështu, valët milimetrike me frekuencë më të lartë përdoren në skenarë të brendshëm dhe në mjedise të dendura urbane në një madhësi qelize jo më shumë se 200 metra.

 4.3. Penetrimi i materialit 
Frekuencat e valëve milimetrike janë gjithashtu të ndjeshme ndaj humbjes gjate depërtimit dhe në krahasim me valët me frekuencë të ulët, valet milimetrike nuk mund të përhapen mirë nëpër shumicën e materialeve të ngurta si muret, dyert dhe mobiljet e dhomave   . Kështu, sinjalet e valëve milimetrike pengohen lehtësisht, veçanërisht në zonat me dendësi urbane me shumë ndërtesa dhe turma njerëzish. Disa fushata matëse si   , janë kryer në mjedise të ndryshme për të studiuar depërtueshmërinë dhe humbjen e rrugës së valëve milimetrike. Tabela 1 tregon rezultatet e eksperimenteve të brendshme dhe të jashtme nga Zhao H. et al  në New York City në 2012. Sipas tabelës, valet milimetrike vuajne më shumë nga humbja e depërtimit në mjediset e jashtme. Për shembull, xhami i lyer me trashësi 3,8 cm shkakton një humbje depërtimi prej 40,1 dB në ambiente të jashtme. Ndërkohë, xhami i pastër ka humbjen minimale të depërtimit prej 3.6 dB në gjendje të brendshme.

Tabela 1. Humbjet e depërtimit për materiale të ndryshme në dB/cm bazuar në matjet nga 
+MjedisiLokaioniMaterialiTrashësia (cm)Humbjët gjatë  penetrimit (dB)JashtëTjetër Xham i lyer3.840.1Sallë te banimitWarren Weaver HallTulla185.428.3BrendaSallë me teknikëXham i pastër<1.33.9Warren  Weaver HillXhami i lyer<1.324.5Xham i pastër<1.33.6Mur38.16.8

 Referime