Überblick über Antennen- und Übertragungskanalmodellierungsmethoden sowie Systemsimulationsfälle

　　Für Kommunikations- oder Radarsysteme übernehmen Antennen die Rolle des Sendens und Empfangens elektromagnetischer Wellen. Die Qualität der Antenne beeinflusst die Leistung des Systems erheblich. Traditionelle Theorie- und Simulationstechniken beziehen selten Antennen in Kommunikations- oder Radarsystemen zur allgemeinen Betrachtung ein. Antennenkonstrukteure konzentrieren sich auf Indikatoren wie Antennenrichtung, Effizienz und Lautstärke, wobei sie selten die Koordination zwischen Antenne und Sendekanal berücksichtigen, und noch weniger darauf, wie Antenneneigenschaften das System beeinflussen können.

　　Dieses Papier fasst die Unterschiede zwischen Antennenmodellen in zwei verschiedenen Systemen und den Schwerpunkt der Simulation zusammen, indem es Industriemethoden zur Modellierung von Antennen- und Sendekanalmodellen in Kommunikationsterminals und Radarsystemen sowie Systemsimulationsfälle untersucht.

　　1. Antennenmodell in Kommunikationsterminals

　　Mobilfunkkanäle weisen hauptsächlich folgende Eigenschaften auf: offene variable Parameterkanäle, wodurch sie leicht von verschiedenen Störungen beeinflusst werden; Das geografische Umfeld der Empfangspunkte ist sehr komplex und vielfältig und lässt sich grob in drei Kategorien unterteilen: städtisch, vorstädtisch und ländlich; Nutzer haben zufällige Mobilität.

　　Aufgrund der oben genannten Eigenschaften mobiler Kommunikationskanäle im Vergleich zum freien Raum umfasst die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen neben direkten Wellen mehr Beugungs- und Streuwellen sowie verschiedene Arten von Verlusten: Wegausbreitungsverlust, langsames Ausblenden und schnelles Ausblenden [1]. Um einen optimalen Empfang in unterschiedlichen Umgebungen zu erreichen, sind Kommunikationsterminalantennen so omnidirektional wie möglich ausgelegt.

　　1.1 Modell der einzelnen Antennenanschlussantenne

　　Für Kommunikationssystemterminals wird das Antennenmodell üblicherweise durch seine Koordinaten und den Gewinn definiert; Das Kanalmodell wird durch Parameter wie Rauschen, Fading und Multipath definiert. Für verschiedene Arten von Kommunikationssystemen werden Antennen- und Kanalmodelle oft für eine umfassende Betrachtung kombiniert.

　　Das untenstehende Diagramm bezieht sich auf die am häufigsten in ADS-Software beschriebenen Antennen- und Kanalnutzungsmuster. Der Kanal (PropGSM) befindet sich zwischen der Basisstation (AntBase) und der mobilen Antenne (AntMobile). Mobile Antennenindikatoren enthalten nur Gain, Position und Höhe, Geschwindigkeit usw. Der Standardantennentyp ist omnidirektional, und die Hauptfaktoren für die Systemleistung sind Gain, Mehrwegeffekte und Doppler-Shift.

　　Abbildung 1: GSM-Systemantenne und Kanalmodell

　　1.2 Antennenmodelle in MIMO-Systemen

　　In der mobilen Kommunikation führen Faktoren wie Mehrweg-Fading und Doppler-Frequenzverschiebungen zu einem Rückgang der empfangenen Signalqualität. Um die Qualität des Mobilfunksignals zu verbessern, verbessert die Dual-Antennen-Diversitäts-Empfangstechnologie die Signalqualität erheblich zu geringen Kosten und mit geringen Implementierungsschwierigkeiten. Die Verwendung einer Diversitätsantenne bedeutet, zwei oder mehr unkorrelierte Signale zu empfangen, sodass das Signal mit der höchsten Stärke bei der nachfolgenden Verarbeitung oder Vektorsignalsynthese gefunden werden kann. Daher gilt: Je geringer die Korrelation zwischen den Antennen, desto besser. Da sich die elektromagnetischen Umgebungen, in denen Antennen arbeiten, unterscheiden, müssen bei der Bewertung der Antennenkorrelation auch drahtlose Umgebungen berücksichtigt werden. Die Gesamtwirkung von Sendern und Hindernissen kann mit der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion PDF (PDF) beschrieben werden, die die Wahrscheinlichkeitsverteilungseigenschaften von Antennen charakterisiert, die die stärksten Signale aus verschiedenen Richtungen empfangen.

　　Neben räumlicher Vielfalt existiert auch Polarisationsdiversität. Verwendung der Cross-Polariza-Diskriminanz (XPD) zur Beschreibung der Polarisation von Weltraumradiowellen. Je größer die XPD, desto größer die Polarisationskomponente in der Phi-Richtung; umgekehrt gilt: Je kleiner die XPD, desto kleiner ist die Polarisationskomponente in Theta-Richtung.

　　Komplexe CorrelaTIon wird verwendet, um den Ähnlichkeitsdurchschnitt zu beschreiben, den zwei Antennen unter bestimmten elektromagnetisierten und polarisierten Bedingungen empfangen.

　　Mit einigen kommerziellen Software, wie EMPro, ist es möglich, PDF und XPD für spezifische Diversitätsantennenmodelle einzustellen, wobei der Dual-Antennen-Diversitätsempfangseffekt berücksichtigt wird [2].

　　In Software zur Simulation von drahtlosen Kommunikationssystemen ist es möglich, die Antennen und Kanäle des Kommunikationssystems zu modellieren, indem man 3D-Musterkarten von Sende- und Empfangsantennen und deren relativen Positionen importiert, kombiniert mit typischen Kanalmodellen (wie WINNER), wodurch Systemspezifikationen simuliert werden. Die folgende Abbildung zeigt das WINNER-II-Kanalmodell in der Systemsimulationssoftware SystemVue, die das Importieren mehrerer Antennenstrahlungsmuster für Simulation oder Tests unterstützt und die zweidimensionalen relativen Positionen von Sende- und Empfangsantennenarrays festlegen kann.

　　Abbildung 2. WINNER-Kanal MIMO-Antennenmodell-Aufbau

　　Durch den Import reiner Fernfeldstrahlungsmuster und Telefonnavigationskarten unter Berücksichtigung von SAM-Modellen des menschlichen Kopfes entstehen zwei Kanalmodelle, die einen Vergleich der Systemkapazität zwischen idealen und tatsächlichen Arbeitsszenarien ermöglichen [3]. Auf diese Weise können das wahre Antennenmuster und die Antennenanordnung in das Kanalmodell integriert werden, sodass die Antennenleistung die Systemmetriken beeinflusst.

　　Antennen- und Kanalmodelle können nicht nur in Simulationssoftware angewendet werden, sondern dienen auch als notwendige Testbedingungen, um an Standardtests teilzunehmen. Ein typischer Fall ist Keysights Two-Step Radiation Method (RTS).

　　Die zweistufige Strahlungsmethode unterteilt die MIMO-OTA-Prüfung in zwei Schritte: Die erste Stufe umfasst die Messung des terminalen Strahlungsmusters in einer Dunkelkammer und die Verwendung der Berichtsfunktion des Terminals, um das Strahlungsmuster des DUT zu erhalten; In der zweiten Stufe werden die in der ersten Stufe gemessenen Strahlungsmusterinformationen in den Kanalsimulator geladen, wodurch ein drahtloser Kanal simuliert wird, der die Antenneneigenschaften des zu testenden Objekts enthält. Das Downlink-Signal aus dem Basisstationssimulator lädt zuerst die Richtungskarteninformationen des DUT

　　Abbildung 3: Diagramm der zweistufigen Strahlungstestmethode

　　Der drahtlose Kanal wird von der Messantenne gewickelt und übertragen, um Leistungstests am Empfänger durchzuführen.

　　Die Konsistenz zwischen der zweistufigen Strahlungsmethode und der Multi-Probe-Methode (MPAC)-Messungen, die zum CTIA MIMO OTA-Messstandard geworden ist, wurde von 3GPP anerkannt. Eine formelle Schlussfolgerung wurde auf der 3GPP RAN4-Sitzung im Mai 2017 genehmigt[4].

　　2, Antennenmodelle in Radarsystemen

　　Im Gegensatz zu omnidirektionalen Antennen auf mobilen Endgeräten haben Radarsysteme in der Regel Antennenstrahlbreiten von mehreren bis über zehn Grad. Radarsysteme arbeiten sowohl im Such- als auch im Verfolgungsmodus und erfordern eine präzise Modellierung der Strahlrichtung [5].

　　Traditionelle Simulationssysteme konzentrieren sich hauptsächlich auf die Simulation des Signalflusspegels des Radarsystems, wobei der Signalübertragungsweg und die Ergebnisse der Signalverarbeitung berücksichtigt werden, ohne den Einfluss von Antennenmustern und der Richtwirkung auf das Radarsystem zu berücksichtigen. Zum Beispiel wird in VSS, unter Berücksichtigung der Entfernung und Geschwindigkeit des Ziels, die Transceiver-Antenne auf ein Gewinnmodell vereinfacht, das nur das vom Empfänger empfangene Signalpegel beeinflusst. Bei dieser Systemsimulationsarchitektur können nur einige Parameter der Antenne (wie Reflexionskoeffizient, Impedanz usw.) mit dem kaskadierenden HF-System verknüpft werden.

　　Für komplexe Anwendungsszenarien ist es notwendig, die Positionsinformationen der dynamischen Plattform (wie Schiffe, Flugzeuge oder Kampffahrzeuge) und Antennen zu berücksichtigen. Die Systemsimulationssoftware SystemVue bietet eine hierarchische Designlösung, die neben der Signalanalyse auch die Position der beweglichen Plattform (wie das geozentrische Trägheitskoordinatensystem), Geschwindigkeitsinformationen und Antennenpositionsinformationen des Phased-Array-Radarsystems zur Analyse einbeziehen kann. Diese Plattform kann Multi-Ziel- und Multi-Station-Radare sowie Multi-Antennen-Konfiguration konfigurieren.

　　Abbildung 4. Schaltplan des dreischichtigen Simulationsaufbaus für ein Radarsystem

　　In der Signalschicht stellen Sie den Betriebsmodus der Antenne (Suche oder Verfolgung), das Strahlungsmuster der Antenne und weitere grundlegende Indikatoren ein; In der Antennenschicht werden die Position des Radarziels sowie der Neigwinkel, der Neigwinkel und der Gierwinkel der Radarplattform festgelegt. Die Neigungs-, Nick- und Gierwinkel der Antenne innerhalb der Radarplattform werden festgelegt; In der Trajektorienschicht werden Informationen wie Position (Längengrad, Abmessung, Höhe), Richtung, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Bewegungsbahn der Radartransceiverplattform und des Ziels separat eingestellt. Durch die Umrechnung unter verschiedenen Koordinatensystemen werden das Strahlungsmuster, die Radarplattform und die Zielbewegungsbahn umfassend berücksichtigt.

　　Das Beispiel der EW-Empfängertests kann verwendet werden, um die komplexen Anwendungsszenarien von Radar zu veranschaulichen. In der Szene wird der EW-Empfänger (EW Rx) verwendet, um vier Radarstationen im Weltraum zu überwachen. Die Aufgabe des EW-Empfängers ist es, all diese Signale zu erkennen, jedes Signal zu identifizieren und Position, Geschwindigkeit, Zeitwellenform und Frequenzinhalt jeder Radarstation zu organisieren.

　　Abbildung 5: EW-Empfängertestszenario

　　Um einen EW-Empfänger zu testen, muss ein Testsignal erzeugt werden, was nicht einfach bedeutet, mehrere Zeitwellenformen zu überlagern. Da EW-Empfänger auf Flugzeugen, Autos oder Kriegsschiffen installiert werden können, müssen die Werkzeuge zur Erzeugung dieser Testsignale den Nutzern ermöglichen, den Standort, die Geschwindigkeit, die Bewegungsbahn und weitere Details der EW-Rezeptstation anzugeben. Zusätzlich muss das Werkzeug für jede Radarstation es den Nutzern ermöglichen, Position, Geschwindigkeit, Zeitwellenform, Frequenz, Antennenbetriebsmodus usw. anzugeben [6].

　　Wenn eine präzise Umweltmodellierung erforderlich ist, können Signalschicht-Simulationssoftware wie Simulink und SystemVue dies nicht bewältigen. Mit professioneller Szenario-Simulationssoftware wie STK kann man realistischere Zielmerkmale erzielen.

　　Wie in Abbildung 6 gezeigt, wird SystemVue verwendet, um eine lineare FM-Pulssignalquelle zu erzeugen, und Faktoren wie Nichtlinearität und Rauschen von HF-Geräten werden über den HF-Übertragungspfad hinzugefügt. Das Zeitdomänensignal gelangt über die Schnittstelle in die STK-Software. STK definiert das Außengelände und die Landformen vorab sowie Indikatoren wie Flugbahnen und Flugrichtungen. Das Radar befindet sich im Verfolgungsmodus und versucht, das Flugzeug so weit wie möglich mit Strahlen zu beleuchten, während das Flugzeug verschiedene Manöver durchführt, um der Radarerkennung zu entgehen. Die Zeitdomänensignale für die gesamte Szene werden an die SystemVue-Software zurückgegeben, wo die Radarerkennungswahrscheinlichkeit durch Nachbearbeitungsprogramme ermittelt wird.

　　Abbildung 6: Schematisches Diagramm der STK-Gelenksimulation

　　3, Fazit

　　Es ist offensichtlich, dass in Kommunikations- oder Radarsystemen Antennen nicht mehr isoliert erscheinen, sondern eng mit Kommunikationskanälen und Radarnutzungsszenarien verbunden sind und zusammenarbeiten. Wenn Antennendesigner und Kommunikations-/Radarsystemdesigner bestehende kommerzielle Software und ausgereifte Theorien nutzen können, um Antenneneigenschaften in das Systemdesign zu integrieren, können sie das Risiko von Gelenkdebuggings erheblich verringern und das Produktdesign beschleunigen.