Matlab-based Simulator for Radio Stripe Communications

Abstract

Na última década, as comunicações sem fios sofreram uma mudança de paradigma com o aparecimento das redes de quinta geração (5Gs) e pós-5Gs. As melhorias introduzidas por esta geração não estão limitadas a aumentos da taxa de transferência de dados, havendo enúmeras outras vantagens, tais como baixa latência e taxa de erro, que permitem a implementação de novas tecnologias com necessidades de comunicações críticas.Uma implementação adequada de redes 5G apresenta uma grande variedade de desafios, exigindo que novos conceitos e tecnologias sejam postos em prática. Os sistemas Massive MIMO (mMIMO) e Cell-Free (CF) mMIMO são alguns dos novos conceitos utilizados, focando-se no aumento do número de pontos de acesso (APs) de forma distribuída demodo a proporcionar uma maior eficiência espetral e cobertura uniforme. Implementações destes conceitos podem ser conseguidas através da utilização de Fitas de Rádio (RSs), que suscitam um interesse especial devido à sua facilidade de instalação e baixo custo e consumo energético. No entanto, de modo a projetar sistemas completamente operacionais, o estudo do canal de transmissão de RSs é essencial. Com esse fim, um modelo matemático para a transmissão em linha de vista foi desenvolvido. Este foi utilizado para estudar o desempenho do sistema tendo em conta diversas características importantes na projeção do mesmo.Na ausência de interferência, o desempenho do sistema aumenta logaritmicamente com o comprimento da fita e decresce inversamente com a distância entre os equipamentos terminais (UEs) e a mesma. Os ângulos de chegada tangentes revelaram-se o fator mais prejudicial para o desempenho. Em cenários com múltiplos utilizadores, a interferência entre os mesmos mostrou degradar o funcionamento do sistema nas imediações da fita, especialmente paraRSs com tamanhos inferiores à área abrangida pelos UEs. Sistemas a operar nas bandas defrequências de ondas milimétricas (mmWaves) mostraram-se ser mais resilientes à interferência do que os que operaram em bandas inferiores a 6 GHz. Aumentar excessivamente o comprimento em relação à área abrangida pelos UEs não proporciona melhorias à effiênciaespetral. Porém, permite a otimização da segmentação e alocação de APs a servirem os UEs.

In the last decade, wireless communications have suffered a paradigm shift with the appearance of the 5th-generation (5G) and post-5G networks. The improvements brought by this cellular generation do not limit themselves to increasing data throughputs, having numerous other advantages, such as low latency and error rates, allowing the implementation of new technologies throughout multiple fields with critical communications needs.Proper 5G design presents a wide variety of challenges, requiring new concepts and technologies to be brought forth. Massive MIMO (mMIMO) and Cell-Free (CF) mMIMO systems are some of the new concepts used, focusing on increasing the number of Access Points (APs) in a distributed manner, providing higher Spectral Efficiency (SE) and uniform coverage. Practical deployments can be achieved using Radio Stripes (RSs), which raises special interest due to their practicality, ease of installation and low energy requirements. Nonetheless, in order to achieve fully operational deployments, the study of the RS transmission channel is essential. To such end, a mathematical model for uplink transmission under Line-of-sight (LOS) conditions was developed and used to study the systemperformance under several characteristics important to its design.In the absence of interference, system performance was shown to increase logarithmicallywith the stripe length and to decrease inversely with the distance between the UEs andthe stripe. However, the highest detrimental factor to it has shown to be an unfavourable(large) Angle of Arrival (AoA). In multi-user scenarios, UEs interference was shown to beharmful in proximity to the stripe, especially in small RSs. This can be reduced by operatingat Millimeter-Wave (mmWave) frequency bands, in comparison to sub-6 GHz bands. Whileexcessively increasing the RS length does not provide any direct improvement to SE, it allowsto optimize segmentation and service APs allocation.