Millimetre-Wave Propagation Channel Based on NYUSIM Channel Model With Consideration of Rain Fade in Tropical Climates

Abstract

El impacto de la atenuación atmosférica en los enlaces de comunicación inalámbrica es mucho más grave y complicado en las regiones tropicales. Eso se debe a las temperaturas extremas, la humedad intensa, el follaje y las mayores tasas de precipitación con grandes tamaños de gotas de lluvia. Este documento investiga la propagación de las ondas mm en el enlace de 38 GHz basándose en datos de medición reales recopilados de sistemas microcelulares exteriores en Malasia. La tasa de lluvia y el nivel de señal recibida se han medido simultáneamente en intervalos de tiempo de 1 minuto durante un año en una longitud de trayectoria de 300 m. Las distribuciones de atenuación de lluvia a diferentes porcentajes de tiempo de excedencia se han comparado con el factor de distancia modificado del modelo ITU-R P.530-17. Se ha analizado la disponibilidad media de enlaces calculada con las tasas de lluvia medidas. Además, se han investigado los parámetros clave del canal de propagación, como la pérdida de trayectoria, el exponente de pérdida de trayectoria, el factor K de Rician, el cuadrado medio de la raíz, la propagación del retardo y la potencia recibida, teniendo en cuenta la atenuación de la lluvia. Estos parámetros del canal de propagación se han analizado utilizando el software MATLAB y se han explicado con la ayuda del último paquete de software del modelo de canal NYUSIM (versión 2.0). Los resultados del análisis se han clasificado teniendo en cuenta la atenuación de la lluvia, la configuración de la antena, las distancias de enlace, la altura de la antena y la ganancia de la antena. Los resultados revelaron que el desvanecimiento de la lluvia predicho mediante la aplicación del factor de distancia modificado proporciona una alta consistencia con el desvanecimiento medido en Malasia y varias mediciones disponibles de diferentes ubicaciones. El modelo de pérdida de trayectoria a gran escala en el resultado de la simulación NYUSIM fue de alrededor de 126,23 dB al considerar los efectos de atenuación de la lluvia en la longitud de la trayectoria de 300 m. Este trabajo muestra que el modelo de canal NYUSIM ofrece resultados de representación más precisos de pérdida de trayectoria para transmisiones de antena omnidireccionales y direccionales sin desvanecimiento por lluvia. Este estudio demuestra que se debe abordar suficientemente la capacidad de proporcionar una buena cobertura y una comunicación ultra confiable para aplicaciones al aire libre y de exterior a interior durante la lluvia en regiones tropicales.L'impact de l'atténuation atmosphérique sur les liaisons de communication sans fil est beaucoup plus grave et compliqué dans les régions tropicales. Cela est dû aux températures extrêmes, à l'humidité intense, au feuillage et aux taux de précipitations plus élevés avec de grandes tailles de gouttes de pluie. Cet article étudie la propagation des ondes mm à la liaison 38 GHz sur la base de données de mesure réelles collectées à partir de systèmes microcellulaires extérieurs en Malaisie. Le taux de précipitations et le niveau du signal reçu ont été mesurés simultanément à intervalles de 1 minute pendant un an sur une longueur de chemin de 300 m. Les distributions d'atténuation des pluies à différents pourcentages de temps de dépassement ont été comparées au facteur de distance modifié du modèle UIT-R P.530-17. La disponibilité moyenne de la liaison calculée avec les taux de pluie mesurés a été analysée. De plus, les paramètres clés du canal de propagation tels que la perte de trajet, l'exposant de perte de trajet, le facteur K de Rician, la moyenne quadratique, l'étalement du retard et la puissance reçue ont été étudiés en tenant compte de l'atténuation de la pluie. Ces paramètres de canal de propagation ont été analysés à l'aide du logiciel Matlab et expliqués à l'aide du dernier logiciel de modèle de canal NYUSIM (version 2.0). Les résultats de l'analyse ont été classés en tenant compte de l'atténuation de la pluie, de la configuration de l'antenne, des distances de liaison, de la hauteur de l'antenne et du gain de l' Les résultats ont révélé que la décoloration due à la pluie prédite en appliquant le facteur de distance modifié offre une grande cohérence avec la décoloration mesurée en Malaisie et plusieurs mesures disponibles à partir de différents endroits. Le modèle de perte de trajectoire à grande échelle dans le résultat de simulation NYUSIM était d'environ 126,23 dB en considérant les effets d'atténuation de la pluie sur la longueur de trajectoire de 300 m. Ce travail montre que le modèle de canal NYUSIM offre des résultats de rendu plus précis de la perte de trajectoire pour les transmissions d'antennes omnidirectionnelles et directionnelles sans fondu de pluie. Cette étude prouve que la capacité à fournir une bonne couverture et une communication ultra-fiable pour les applications extérieures et extérieures à l'intérieur pendant la pluie dans les régions tropicales doit être suffisamment prise en compte.The impact of atmospheric attenuation on wireless communication links is much more severe and complicated in tropical regions. That is due to the extreme temperatures, intense humidity, foliage and higher precipitation rain rates with large raindrop sizes. This paper investigates the propagation of the mm-waves at the 38 GHz link based on real measurement data collected from outdoor microcellular systems in Malaysia. The rainfall rate and received signal level have been measured simultaneously in 1-minute time intervals for one year over a 300 m path length. The rain attenuation distributions at different percentages of exceedance time have been compared with the modified distance factor of the ITU-R P.530-17 model. The average link availability calculated with the measured rain rates has been analysed. Additionally, the key propagation channel parameters such as the path loss, path loss exponent, Rician K-factor, root mean square, delay spread and received power have been investigated considering the rain attenuation. These propagation channel parameters have been analysed using MATLAB software and explained with the help of the latest NYUSIM channel model software package (Version 2.0). The analysis results have been classified considering rain attenuation, antenna setup, link distances, antenna height and antenna gain. The outcomes revealed that the rain fade predicted by applying the modified distance factor provides high consistency with the measured fade in Malaysia and several available measurements from different locations. The large-scale path loss model in the NYUSIM simulation result was around 126.23 dB by considering the rain attenuation effects on the 300m path length. This work shows that the NYUSIM channel model offers more accurate rendering results of path loss for omnidirectional and directional antenna transmissions without rain fade. This study proves that the ability to provide good coverage and ultra-reliable communication for outdoor and outdoor-to-indoor applications during rain in tropical regions must be sufficiently addressed.إن تأثير التوهين الجوي على روابط الاتصالات اللاسلكية أكثر حدة وتعقيدًا في المناطق المدارية. ويرجع ذلك إلى درجات الحرارة القصوى والرطوبة الشديدة وأوراق الشجر وارتفاع معدلات هطول الأمطار مع أحجام قطرات المطر الكبيرة. تبحث هذه الورقة في انتشار موجات مم عند وصلة 38 جيجا هرتز بناءً على بيانات القياس الحقيقية التي تم جمعها من الأنظمة الخلوية الدقيقة الخارجية في ماليزيا. تم قياس معدل هطول الأمطار ومستوى الإشارة المستقبلة في وقت واحد على فترات زمنية مدتها دقيقة واحدة لمدة عام واحد على طول مسار يبلغ 300 متر. تمت مقارنة توزيعات توهين المطر بنسب مختلفة من وقت التجاوز مع عامل المسافة المعدل لنموذج ITU - R P.530-17. تم تحليل متوسط توافر الروابط المحسوب مع معدلات الأمطار المقاسة. بالإضافة إلى ذلك، تم التحقيق في معلمات قناة الانتشار الرئيسية مثل فقدان المسار، وأس فقدان المسار، وعامل Rician K، ومتوسط الجذر التربيعي، وانتشار التأخير والطاقة المستقبلة مع الأخذ في الاعتبار توهين المطر. تم تحليل معلمات قناة الانتشار هذه باستخدام برنامج MATLAB وشرحها بمساعدة أحدث حزمة برامج لنموذج قناة NYUSIM (الإصدار 2.0). تم تصنيف نتائج التحليل مع الأخذ في الاعتبار توهين المطر وإعداد الهوائي ومسافات الوصلة وارتفاع الهوائي وكسب الهوائي. كشفت النتائج أن تلاشي المطر المتوقع من خلال تطبيق عامل المسافة المعدل يوفر اتساقًا عاليًا مع التلاشي المقاس في ماليزيا والعديد من القياسات المتاحة من مواقع مختلفة. كان نموذج فقدان المسار واسع النطاق في نتيجة محاكاة NYUSIM حوالي 126.23 ديسيبل من خلال النظر في تأثيرات توهين المطر على طول المسار البالغ 300 متر. يُظهر هذا العمل أن نموذج قناة NYUSIM يقدم نتائج عرض أكثر دقة لفقدان المسار لناقلات الهوائي متعددة الاتجاهات والاتجاهية دون تلاشي المطر. تثبت هذه الدراسة أنه يجب معالجة القدرة على توفير تغطية جيدة واتصالات موثوقة للغاية للتطبيقات الخارجية والخارجية إلى الداخلية أثناء هطول الأمطار في المناطق الاستوائية بشكل كافٍ.