Investigation of Prediction Accuracy, Sensitivity, and Parameter Stability of Large-Scale Propagation Path Loss Models for 5G Wireless Communications

This paper compares three candidate large-scale propagation path loss models for use over the entire microwave and millimeter-wave (mmWave) radio spectrum: the alpha-beta-gamma (ABG) model, the close-in (CI) free space reference distance model, and the CI model with a frequency-weighted path loss exponent (CIF). Each of these models have been recently studied for use in standards bodies such as 3GPP, and for use in the design of fifth generation (5G) wireless systems in urban macrocell, urban microcell, and indoor office and shopping mall scenarios. Here we compare the accuracy and sensitivity of these models using measured data from 30 propagation measurement datasets from 2 GHz to 73 GHz over distances ranging from 4 m to 1238 m. A series of sensitivity analyses of the three models show that the physically-based two-parameter CI model and three-parameter CIF model offer computational simplicity, have very similar goodness of fit (i.e., the shadow fading standard deviation), exhibit more stable model parameter behavior across frequencies and distances, and yield smaller prediction error in sensitivity testing across distances and frequencies, when compared to the four-parameter ABG model. Results show the CI model with a 1 m close-in reference distance is suitable for outdoor environments, while the CIF model is more appropriate for indoor modeling. The CI and CIF models are easily implemented in existing 3GPP models by making a very subtle modification -- by replacing a floating non-physically based constant with a frequency-dependent constant that represents free space path loss in the first meter of propagation.Comment: Open access available at: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=743465

Investigation of QoS Performance Evaluation over 5G Network for Indoor Environment at millimeter wave Bands

One of the key advancement in next-generation 5G wireless networks is the use of high-frequency signals specifically those are in the millimeter wave (mm-wave) bands. Using mmwave frequency will allow more bandwidth resulting higher data rates as compared to the currently available network. However, several challenges are emerging (such as fading, scattering, propagation loss etc.), when we propagate the radio signal at high frequencies. Optimizing propagation parameters of the mm-wave channels system are much essential for implementing in the realworld scenario. To keep this in mind, this paper presents the potential abilities of high frequencies signals by characterizing the indoor small cell propagation channel for 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz and 73 GHz frequency band, which is considered as the ultimate frequency choice for many of the researchers. The most potential Close-In (CI) propagation model for mm-wave frequencies is used as a Large-scale path loss model. The results have been collected concerning the capacity of users to evaluate the average user throughput, cell-edge user throughput, average cell throughput, spectral efficiency and fairness index. The statistical results proved that these mm-wave spectrum gives a sufficiently greater overall performance and are available for use in the next generation 5G mobile communication network

New Radio Small Cell Propagation Environment

The characterization of the wireless medium in indoor small cell networks is essential to obtain appropriate modelling of the propagation environment. This dissertation on ”MeasurementBased Characterization of the 5G New Radio Small Cell Propagation Environment” has been developed in an experimental environment. The underlying tasks are divided into three phases. The first phase took place in the laboratory of the Instituto de Telecomunicações – Covilhã, located in the Departamento de Engenharia Electromecânica of Universidade da Beira Interior. During this part of the research, spectrum measurements and the characterization of the S11 parameter (response in the first port for the signal incident in the first port) have been made experimentally through the printed circuit board antennas in the 2.6 GHz and 3.5 GHz frequency bands operating in the 2.625 GHz and 3.590 GHz center frequency, manufactured by us. The fabrication of the antennas was preceded by the simulation in the student version CST STUDIO software. In this phase, the spectrum measurements and the characterization of Smith Chart have been made to measure gain and impedance using the Rohde & Schwarz Vector Network Analyzer (VNA) from IT laboratory. Based on mathematical calculations and considerations on the conductivity and permeability of the environment, the antennas were built for use in indoor and outdoor environments. The developed antennas are characterized by their bandwidth and their radiation characteristics. The second phase took place in the three rooms adjacent to the laboratory, in which the srsLTE emulation software was applied to the 4G indoor scenario. The experimental setup includes three elements, namely a base station (BS or 4G eNodeB), which transmits the communication signal and which served as a signal source, a user equipment (UE), and an interfering eNodeB. The size of each room is 7.32 × 7.32 square meters. While room 1 is the room of interest, where theoretical and practical measurements took place, BSs that act as wireless interfering nodes are also separately considered either in room 2 or room 3. By varying the UE positions within room 1, it was possible to verify that the highest values of the received power occur close to the central BS. However, the received power does not decrease suddenly because of the reduced gain in the radiation pattern in the back part of the antenna. In addition, it was demonstrated that there is an effect of “wall loss”proven by the path loss increase between room 1 and room 2 (or between room 2 and 3). If we consider an attenuation for each wall of circa 7-9 dB the trend of the WINNER II at 2.625 GHz model for the interference coming across different walls is verified. Future work includes to investigate the 3.5 GHz frequency band. The third phase is being carried out at the facilities of the old aerodrome of Covilhã which, using a temporary license assigned to us by Instituto de Comunicações Português (ICP-ANACOM) as the two first phases. The aim of this phase is to investigate the two-slope behaviour in the UMi scenario. Very initial LTE-Advanced tests have been performed to verify the propagation of the two ray (with a reflection in the asphalt) from BS implemented with USRP B210 and srsLTE system by considering an urban cell with a length of 80 m and an interfering base station at 320 m, at 2500 - 2510 MHz (DL - Downlink) by now, mainly due to the current availability of a directional antenna in this specific band.A investigação de sinais rádio em comunicações sem fios continua a gerar considerável interesse em todo mundo, devido ao seu amplo leque de aplicações, que inclui a troca de dados entre dois ou mais dispositivos, comunicações móveis e via Wi-Fi, infravermelho, transmissão de canais de televisão, monitorização de campos, proteção e vigilância costeira e observação ambiental para exploração. A tecnologia de ondas de rádio é o um dos vários recursos que viabilizam as comunicações de alta velocidade e encurta distâncias entre dois pontos em comunicação. Na realidade, caracterização da comunicação em redes com pequenas células é essencial para obter uma modelização apropriada de ambiente de propagação. Esta dissertação sob o tema ”Measurement-Based Characterization of the 5G New Radio Small Cells Propagation Envioronment” foi desenvolvida num ambiente experimental, cujas tarefas foram divididas em fases. A primeira fase teve lugar no laboratório do Instituto de Telecomunicações da Covilhã (IT), afeto ao Departamento de Engenharia Eletromecânica. Nela foram feitas as simulações das antenas no software CST STUDIO, versão do estudante que foram utilizadas nos equipamentos durante as medições. Seguiu-se a padronização das mesmas nas faixas dos 2.6 GHz e 3.5 GHz, nas frequências centrais de 2.625 GHz e 3.590 GHZ, usando placas de circuitos impressos. Em seguida, foram feitas as medições do espectro e a caraterização do S11 e da carta de Smith para medir a impedância de entrada e o ganho. As medições foram feitas com recurso ao Vector Network Analyzer (VNA). Com base em cálculos matemáticos e considerações sobre a condutividade e permeabilidade do ambiente, as antenas foram construídas para uso em ambientes internos e externos e com ou sem interferentes. As antenas desenvolvidas são caracterizadas por sua largura de banda e suas características de radiação. A segunda fase decorreu nas três salas adjacentes ao laboratório de Telecomunicações, na qual foi montada a topologia com o sistema srsLTE associado aos USRP B210 ligados aos computadores com o sistema operativo Linux com três componentes, nomeadamente uma estação base (BS), que serviu de fonte do sinal de comunicação com um equipamento de utilizador (UE) que o recebe, e dois interferentes. Importa realçar que esta segunda fase foi dividida em duas etapas, das quais uma sem interferente para medir a potência recebida da própria estação base e outra com os interferentes mais próximo e mais afastado da sala do sinal da própria célula. O objetivo desta fase foi o de verificar o modelo de propagação do sinal de comunicação da tecnologia LTE e medir a potência recebida pelo utilizador com recurso ao Analisador de Espectro portátil FSH8 da Rohde & Schwarz capaz de medir de 10 kHz a 8 GHz, feita na frequência central de 2.625 GHz. Nas medições feitas em ambiente interior, o tamanho de cada uma das três salas é 7.32 × 7.32 metros quadrados. Embora a sala 1 seja a sala de interesse, onde ocorreram as medições teóricas e práticas, as BSs que atuam como nós interferentes também são consideradas separadamente na sala 2 ou na sala 3. Ao variar as posições de UE dentro da sala 1, foi possível verificar que os valores superiores da potência recebida ocorrem próximos à BS central. No entanto, a potência recebida não diminui repentinamente por causa do efeito do ganho reduzido no diagrama de radiação na parte traseira da antena. Além disso, foi demonstrado que existe um efeito de “atenuação da parede” comprovado pelo aumento da atenuação de trajeto entre a sala 1 e a sala 2 (ou entre a sala 2 e 3). Se considerarmos uma atenuação para cada parede de cerca de 7-9 dB, verifica-se a tendência do modelo WINNER II a 2.625 GHz para a interferência que atravessa as diversas paredes. Trabalhos futuros incluem a investigação da banda de frequência de 3.5 GHz. Já a terceira fase foi realizada nas instalações do antigo aeródromo da Covilhã, e em todas as fases servimo-nos de uma licença concedida pela Entidade Reguladora do Espectro (ICPANACOM), que permitiu realizar testes de verificação da propagação do sinal no ambiente livre na faixa de frequência dos 2.6 GHz com 2500 – 2510 MHz (UL - Uplink) e 2620 – 2630 MHz (DL - Downlink). A terceira fase ainda está a decorrer nas instalações do antigo aeródromo da Covilhã, mediante a mesma licença temporária que nos foi atribuída pelo Instituto de Comunicações de Portugal ou Autoridade Nacional de Comunicações (ICP-ANACOM) sendo esta reguladora do espectro. O objetivo é continuar a investigar o comportamento de duas inclinações no cenário UMi. Testes muito iniciais LTE-Advanced foram realizados para verificar a propagação dos dois raios (direto e refletido, com uma reflexão no asfalto) do BS implementado com o sistema USRP B210 e srsLTE, considerando uma célula urbana com um comprimento de 80 metros uma estação base interferente em 320 metros, a operar, provisoriamente, a 2500 - 2510 MHz (na ligação descendente, DL - Downlink, devido à disponibilidade de uma antena direcional específica para esta banda). Finalmente este trabalho de investigação pode ser resumidamente dividido em três categorias, nomeadamente investigação de análises teóricas e matemáticas relevantes da propagação de ondas de rádio em meios com e sem interferência significativa. Medições para verificar o comportamento do sinal de propagação da tecnologia LTE-Advanced com recursos ao analisador de espectro, simulação das antenas, fabricação e medição das características de radiação das mesmas. Assim, as antenas concebidas com bons resultados foram fabricadas nas instalações da Faculdade de Ciências no Departamento de Física da Universidade da Beira Interior, sendo de seguidas testadas e caracterizadas com o auxílio do Vector Nettwork Analyzer disponível no Laboratório de Telecomunicações do Departamento de Engenharia Eletromecânica da Universidade da Beira Interior. E, finalmente, os cálculos estatísticos que incluem o teste de normalidade de Kolmogorov-Smirnov com recurso ao software estatístico SPSS para validar os resultados obtidos seguida da construção dos gráficos no Matlab em 3D, conforme a superfície da sala

State-of-the-art assessment of 5G mmWave communications

Deliverable D2.1 del proyecto 5GWirelessMain objective of the European 5Gwireless project, which is part of the H2020 Marie Slodowska- Curie ITN (Innovative Training Networks) program resides in the training and involvement of young researchers in the elaboration of future mobile communication networks, focusing on innovative wireless technologies, heterogeneous network architectures, new topologies (including ultra-dense deployments), and appropriate tools. The present Document D2.1 is the first deliverable of Work- Package 2 (WP2) that is specifically devoted to the modeling of the millimeter-wave (mmWave) propagation channels, and development of appropriate mmWave beamforming and signal processing techniques. Deliver D2.1 gives a state-of-the-art on the mmWave channel measurement, characterization and modeling; existing antenna array technologies, channel estimation and precoding algorithms; proposed deployment and networking techniques; some performance studies; as well as a review on the evaluation and analysis toolsPostprint (published version