Radiopropagation Performance Analysis Simulations of Massive MIMO Configurations in 28 GHz Javier Enrique Arévalo Peña Ricardo Alirio González Bustamante Universidad Autónoma de Colombia Universidad Autónoma de Colombia Bogotá D.C., Colombia Bogotá D.C., Colombia javier.arevalo@fuac.edu.co gonzalez.ricardo@fuac.edu.co Abstract dentro de bandas por debajo de 6 GHz y la nueva interfaz aérea en banda de ondas milimétricas dentro Massive MIMO multiantenna systems hope to del rango de 6 GHz a 100 GHz [5GAméricas15], be incorporated in the next fifth generation [Osserein16], [Rappaport15]. networks (5G) as one of the technologies that Por otra parte, es importante mencionar que los will support the high demand of mobile sistemas MIMO (Multiple Imput Multiple Output) services through wide bandwidths in aunque han sido introducidos en 4G se pretenden millimeter wave frequencies (mmWaves). This paper presents the results of radiopropagation implantar de forma más robusta y avanzada en 5G a simulations of Massive MIMO 64x64 and través de los sistemas MIMO Masivo [Oestges13]. El 128x128 configurations operating at 28 GHz gran número de antenas de estación base en relación operating frequency in an outdoor urban area con el número de dispositivos de usuario da como located in the historic downtown of Bogotá D. resultado una respuesta de canal que es casi ortogonal y C. city (Colombia). ICS Telecom EV software tiene el potencial de producir enormes ganancias en la is used on high resolution digital cartography eficiencia espectral. Tales condiciones permitirían que to perform the SNIR (Signal to Noise and muchos dispositivos más se sirvan con la misma Interference Radio) coverage analysis and frecuencia y recursos de tiempo dentro de una celda throughput coverage analysis and simulation dada en comparación con los sistemas 4G actuales parameters proposed for the 5G networks are [Agredo15], [Cox12]. used. The Massive MIMO systems El artículo se presenta de la siguiente manera. En la performance over the conventional MIMO sección 2 se indica la metodología de simulación, en la systems is demonstrated in 28 GHz. sección 3 se presentan y analizan los resultados de las simulaciones y en la última parte se presentan las 1. Introducción conclusiones. Alrededor del año 2020 gran parte de la cobertura inalámbrica disponible seguirá siendo proporcionada 2. Metodología de simulación por LTE (Long Term Evolution) y LTE - Advanced y Para el desarrollo de las simulaciones se emplea el es importante para las empresas prestadoras de software ICS Telecom EV, una herramienta de altas servicios de telecomunicaciones con redes de cuarta capacidades para el diseño y planeación de redes de generación (4G) que tengan la oportunidad de telecomunicaciones desarrollada por la empresa ATDI transición otras porciones de espectro radioeléctrico [ATDI15]. También es indispensable utilizar para incorporar nuevas tecnologías de acceso cartografía digital de alta resolución para realizar los inalámbrico especialmente las enfocadas a introducir estudios, la cual fue provista por la empresa TES capacidades 5G [METIS15], [5GAméricas15]. Al América Andina Ltda. mismo tiempo, es esencial la evolución de las tecnologías LTE hasta un punto en el que sea miembro 2.1 Escenario de estudio pleno de la familia de interfaces 5G, sobre todo porque Se establece como escenario de estudio un área urbana el despliegue inicial de nuevas interfaces aéreas puede densa ubicada en el centro histórico de la ciudad de no funcionar en las mismas bandas. La red 5G Bogotá, mostrado en la Figura 1. En la cartografía permitirá la doble conectividad entre LTE que opera digital de alta resolución se ubicaron siete puntos de estaciones base cada uno con una sectorización de Copyright © by the paper’s authors. Copying permitted only for private and academic purposes. 120°, es decir, se cuenta con 21 transmisores, para cubrir una área total de 1.352 Km2. In: Proceedings of the IV School of Systems and Networks (SSN 2018), Valdivia, Chile, October 29-31, 2018. Published at http://ceur-ws.org. Telecom EV en los cálculos de propagación referidos a los efectos de gases con la norma ITU – R 676, los efectos de la niebla con la norma ITU – R 840, y los efectos de la lluvia con la norma ITU – R 838/530 [ATDI14]. 2.3 Procedimiento de simulación Despues de ubicar los puntos de estaciones base en la cartografía digital de Bogotá, se procede a configurar los parámetros de las estaciones base primero con un sistema MIMO 4x4, luego con un sistema MIMO Másivo 64x64 y finalmente con un sistema MIMO Masivo 128x128. Se realizan simulaciones de cobertura del nivel de potencia recibido a partir de las cuales se obtienen simulaciones de cobertura SNIR y cobertura Throughput en el área de estudio con las configuraciones establecidas. Figura 1: Escenario de estudio centro histórico de 3. Resultados de simulaciones Bogotá D.C. 3.1 Simulaciones SNIR En la Figura 2 se muestra la simulación de cobertura SNIR para el arreglo 64 elementos y en la Figura 3 se 2.2 Parámetros de simulación presenta la simulación de cobertura SNIR para el La herramienta de simulación ICS Telecom EV cuenta arreglo de 128 elementos. con la caracterización para simular la transmisión 5G dentro de sus opciones de configuración. En la Tabla 1 se presentan los principales parámetros de simulación. Tabla 1 : Parámetros de simulación estación base Parámetro Valor Potencia de transmisión 10 W Ganancia de antena 18 dBi Arreglo MIMO Masivo 64x64 y 128x128 Frecuencia de operación 28 GHz Ancho de banda de canal 100 MHz Modulación 64 QAM Máximo DL 1 Gbps Máximo UL 0.5 Gbps De igual forma, el software tiene un número significativo de modelos de simulación empleados para los cálculos entre se escogió el modelo determinístico ITU – R 525/526 ajustado con el modelo de geometría de difracción y el modelo de atenuación de Figura 2: Mapa de cobertura SNIR para el arreglo de subtrayectoria Delta Bullington. También, debido a que 64 elementos. la frecuencia de operación de 28 GHz los efectos climáticos son significativos, se realizan ajustes en ICS En la Figura 4 se observa que para el sistema MIMO 4x4 convencional el 41.71 % del área cubierta habrá una pérdida de servicio de más del 70%, contrario a los sistemas MIMO Masivo en los cuales las pérdidas de servicio serán menores al 20% en el 89.79 % del área cubierta para el arreglo 64x64 y del 98.71 del área cubierta % para el arreglo 128x128. 3.2 Simulaciones Throughput En la Figura 5 se muestra la simulación de cobertura throughput para el arreglo 64 elementos y en la Figura 6 se presenta la simulación de cobertura throughput para el arreglo de 128 elementos. Figura 3: Mapa de cobertura SNIR para el arreglo de 128 elementos. Tomando en cuenta métricas empleadas por los sistemas LTE/LTE-A se tienen los siguientes rangos de referencia para la cobertura SNIR [ATDI16].  Si el valor de SNIR es menor a 10 dB, puede haber una pérdida de servicio de más del 70%.  Si el valor de SNIR esta entre10 dB y 15 dB las pérdidas de servicio estarán entre el 70% y el 20%.  Si el valor del SNIR es mayor a 15 dB las pérdidas de servicio serán menores al 20%. Figura 5: Mapa de cobertura throughput para el arreglo de 64 elementos. Los resultados simulaciones de throughput para los sistemas MIMO 64x64 y MIMO 128x128 se presentan en la Figura 7, en los cuales en el rango de los 100 Kbps a 135 Kbps, se concentra la mayor capacidad de información ofrecida a los usuarios, correspondiendo al 74.28 % para el arreglo 64 elementos y de 93.23% para el arreglo 128 elementos. Sin embargo, en los valores de 32 Kbps a 100 Kbps aún hay capacidad de transmisión de información en valores menores y se conserva aún la posibilidad de ofrecer servicio. Figura 4: Resultado simulaciones cobertura SNIR. Como trabajos futuros se espera continuar con el estudio de sistemas MIMO Masivo en otras frecuencias de operación a través de procesos de simulación y de medidas de campo por medio de la implementación de banco de prueba experimental. Referencias [METIS15] METIS. METIS Final Project Report. Ericsson AB, 2015. [5GAméricas15] 5GAméricas. Recomendaciones sobre el Espectro para la 5G. 5G Américas, 2015. [Osseiran16] A. Osseiran A., J. F. Monserrat y P. Marsch, 5G Mobile and Wireless Communications Technology. Cambridge University Press, 2016. Figura 6: Mapa de cobertura throughput para el arreglo [Rappaport15] T. S. Rappaport, R. W. Heath Jr., R. C. de 128 elementos. Daniels y J. N. Murdock. Millimeter Wave Wireless Communications. Prentice Hall, 2015. [Oestges13] C. Oestges y B. Clerckx. MIMO Wireless Networks: Channels, Techniques and Standards for Multi-Antenna. Elsevier, 2013. [Agredo15] G. L. Agredo Mendez, P. E. Jojoa Gómez y V. Almenar Terré. Sistemas MIMO con un Elevado Número de Antenas: Clave para la 5G Inalámbrica. Entramado, 11(2): 250-261, diciembre 2015. [Cox12] C. Cox. An Introduction to LTE: LTE, LTE- Advanced, SAE and 4G Mobile Communications. John Wiley & Sons, 2012. [ATDI15] ATDI. Manual de Inicio ICS Telecom EV. Figura 7: Resultado simulaciones cobertura ATDI, 2015. throughput. [ATDI14] ATDI. Radio Propagation in ICS Telecom. ATDI, 2014. 4. Conclusiones [ATDI16] ATDI. Tutorial LTE Network Design with ICS Telecom. ATDI, 2016. Los resultados presentados en el artículo evidencian el desempeño de los sistemas MIMO Masivo frente a Agradecimientos sistemas MIMO convencionales y sus beneficios en el Los autores desean expresar sus agradecimientos al empleo en redes móviles que operan en frecuencias de Sistema Unificado de Investigaciones – SUI de la ondas milimétricas. La frecuencia de 28 GHz escogida Fundación Universidad Autónoma de Colombia por el para las simulaciones es un buen punto de referencia apoyo económico para el desarrollo del proyecto y a la para revisar el comportamiento de propagación y el empresa TES América Andina Ltda., por el soporte desempeño de los sistemas MIMO para las futuras técnico para presentar los resultados de este artículo. redes 5G.