Radio Wave Propagation Simulations Based On Point Clouds – Methods, Experimental Validations and Applications To Radio Link Design
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-05-17
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
107 + app. 105
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 71/2024
Abstract
The exponential increase in mobile data traffic has resulted in spectrum shortage at the sub-6 GHz frequencies. The fifth-generation (5G) of wireless technologies aims to solve this by utilizing the millimeter-wave (mm-wave) bands and denser base station deployment. Cellular coverage at mm-wave bands and the interference conditions of dense spatial re-use of frequency spectrum are not well known. To evaluate link performance and predict coverage, wave propagation at radio frequencies in various scenarios must be characterized. This thesis provides improved tools, methods, and insights for coverage simulations to plan future deployments of wireless networks. Radio channel measurements are essential to understanding propagation and coverage characteristics. This thesis presents insights obtained from radio channel measurements in emerging environments, the outdoor-to-indoor (O2I) case and an elevator shaft. In the former case, the role of scattering from outdoor and indoor features is evaluated at 4 GHz and 14 GHz. In the latter, an Universal Software Radio Peripheral-based channel sounder is developed for polarimetric wideband channel measurements in an elevator shaft at 2.45 GHz and 5.8 GHz. The results show that the elevator shaft is a polarization-selective environment, with attenuation differences of up to 20 dB between links polarized along different sides of the elevator shaft. In addition to measurements, site-specific propagation simulation is an important tool in understanding radio wave propagation and its effect on coverage. Simulation accuracy is affected by level of detail in model of the propagation environment. In this work, ray-tracing and ray-launching propagation simulation methods based on detailed laser-scanned point clouds are developed. A novel method for preparing raw point clouds for propagation simulations is presented and its positive effect on simulation accuracy demonstrated. Radio channel simulations utilizing point clouds are performed in outdoor, indoor and O2I scenarios and their accuracy validated against measurements for frequencies ranging from 4 GHz to 60 GHz. The last part of this thesis is dedicated to applications of point cloud-based radio channel simulations. Line-of-sight probability at mm-wave frequencies is evaluated for urban micro-cells in the presence of clutter typically unavailable in environment databases, e.g., pedestrians and vehicles, and a Poisson-process based model of LOS probability is verified with them. Additionally, simulated radio channel data is utilized to validate feasibility of employing coarse beam-searching performed at 4 GHz for more efficient mm-wave beam-steering at 86 GHz. Finally, site-specific simulations are utilized as a test environment for 28 GHz 5G mobile phone antenna evaluation.Langattoman viestinnän räjähdysmäinen kasvu on johtanut kaistapulaan alle 6 GHz taajuuksilla. Viidennen sukupolven (5G) teknologiat pyrkivät ratkaisemaan ongelman millimetriaaltoaluetta ja tiheämpää tukiasemasijoittelua hyödyntämällä. Mobiilikattavuutta ja laitteiden keskinäistä häiriintyvyyttä ei tunneta tarkasti näissä olosuhteissa. Langattomien järjestelmien suorituskyvyn ja kattavuuden arviointiin tarvitaan uusia menetelmiä. Tämä väitöskirja esittää tärkeitä havaintoja ja työkaluja tulevaisuuden kattavuuden mallinnukseen ja suunnittelemiseen. Radiokanavien mittaus on tärkeä keino niiden ymmärtämiseksi. Tämä väitöskirja esittää tuloksia radiokanavamittauksista tulevaisuuden ympäristöissä, rakennuksen ulkopuolelta sisälle tapahtuvassa viestinnässä ja liikkuvassa hissikuilussa. Mittauksista ensimmäinen suoritettiin ympäristön eri osien roolien radioaaltojen heijastajina ja siroajina määrittämiseksi 4 GHz ja 14 GHz taajuuksilla. Hissikuilumittaukset suoritettiin niitä varten suunnitellulla laajakaistaisella, polarimetrisellä mittajärjestelmällä. Mittaukset osoittivat hissikuilun olevan polarisaatioherkkä ympäristö, jossa signaalit vaimenevat jopa 20 dB enemmän riippuen antennien polarisaatiosta. Radiokanavamallinnus on mittausten lisäksi tärkeä keino radioaaltojen etenemisen ymmärtämiseksi. Mallinnukseen käytetyn ympäristömallin tarkkuus määrää mallinnuksen tulosten tarkkuuden. Tässä väitöskirjassa parannellaan olemassaolevia ja kehitetään uusia säteenseuranta- ja säteenlauontamenetelmiä, jotka käyttävät laserskannattua pistepilveä ympäristömallina radioaaltojen etenemisen mallintamiseen. Uusi menetelmä pistepilven valmisteluun radiokanavamallinnusta varten esitellään, ja sen hyödyllisyys osoitetaan vertauksilla mitattuihin kanaviin. Pistepilviin perustuvan radiokanavamallinnuksen tuloksia raportoidaan, ja niiden tarkkuus vahvistetaan vertailulla mittaustuloksiin eri ympäristöissä taajuuksilla 4 GHz:sta 60 GHz:iin. Väitöskirjan viimeinen osa käsittelee radiokanavamallinnuksen tulosten sovelluksia radioyhteyksien suunnitteluun. Näköyhteyden todennäköisyyttä mallinnetaan erilaisissa kaupunkiympäristöissä, ja uusi analyyttinen malli sille esitellään. Lisäksi, väitöskirjassa tutkitaan radiokanavien tilallista samankaltaisuutta. Siihen perustuen todetaan, että matalalla 4 GHz taajuudella toimivan laitteen keilanohjausta voidaan soveltaa 86 GHz laitteen tehokkaampaan keilanohjaukseen. Lopuksi, väitöskirja raportoi radiokanavamallinnuksen käytöstä 5G mobiiliantennin suorituskyvyn arviontiin.Description
Supervising professor
Haneda, Katsuyuki, Assoc. Prof. Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandThesis advisor
Karttunen, Aki, Dr., Tampere University, FinlandKeywords
point clouds, propagation, ray-tracing, ray-launching, pistepilvet, radioaaltojen eteneminen, säteenseuranta, säteenlauonta
Other note
Parts
-
[Publication 1]: P. Koivumaki, S. L .H. Nguyen, K. Haneda, G. Steinbock. A Study of Polarimetric Diffuse Scattering at 28 GHz for a Shopping Center Facade. In 2018 IEEE 29th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), Bologna, Italy, pp. 182-187, September 2018.
DOI: 10.1109/PIMRC.2018.8580765 View at publisher
-
[Publication 2]: P. Koivumiiki, G. Steinbock, K. Haneda. Impacts of Point Cloud Modeling on the Accuracy of Ray-Based Multipath Propagation Simulations. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 69, no. 8, pp. 4737-4747, January 2021.
DOI: 10.1109/TAP.2021.3050482 View at publisher
-
[Publication 3]: P. Koivumäki, A. F. Molisch, K. Haneda. Line-of-Sight Probability in Cluttered Urban Microcells: Analyses Using Poisson Point Process and Point Cloud. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 70, no. 3, pp. 2161/2173, October 2021.
DOI: 10.1109/TAP.2021.3119116 View at publisher
-
[Publication 4]: P. Koivumaki, A. Karttunen, K. Haneda. Wave Scatterer Localization in Outdoor-to-Indoor Channels at 4 and 14 GHz. In 2022 16th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Madrid, Spain, pp. 1-5, May 2022.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208104551DOI: 10.23919/EuCAP53622.2022.9769384 View at publisher
-
[Publication 5]: P. Koivumiiki, M. Heino, K. Haneda, M. Purane n, J. Pesola. Dynamic Polarimetric Wideband Channel Sounding in an Elevator Shaft. In 2019 European Conference on Networks and Communications (EuCNC), Valencia, Spain, pp. 295-299, June 2019.
DOI: 10.1109/EuCNC.2019.8801982 View at publisher
-
[Publication 6]: P. Koivumiiki, A. Karttunen, K Haneda. Ray-Optics Simulations of Outdoor-to-Indoor Multipath Channels at 4 and 14 GHz. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 71, no. 7, pp. 6046-6059, May 2023.
DOI: 10.1109/TAP.2023.3276502 View at publisher
-
[Publication 7]: P. Koivumaki, K. Haneda. Point Cloud Ray-Launching Simulations of Indoor Multipath Channels at 60 GHz. In 2022 IEEE 33rd Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), Virtual event, pp. 1-5, October 2022.
DOI: 10.1109/PIMRC54779.2022.9977493 View at publisher
-
[Publication 8]: P. Kyosti, P. Zhang, A. Parssinen, K. Haneda, P. Koivumaki, W. Fan. On the Feasibility of Out-of-Band Spatial Channel Information for Millimeter-Wave Beam Search. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 71, no. 5, pp. 4433-4443, March 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202303292651DOI: 10.1109/TAP.2023.3249837 View at publisher
-
[Publication 9]: C. Cziezerski, M. Heino, P. Koivumaki, K. Haneda, C. Icheln, A. Hazmi, R. Tian. Comparing gains of 28 GHz module-based phased antenna arrays on a 5G mobile phone. In Antennas and Propagation Conference 2019 (APC-2019), Birmingham, UK, pp. 1-6, November 2019.
DOI: 10.1049/cp.2019.0689 View at publisher