вкр Моделирование процесса микромобильности абонентских терминалов

Целью работы является реализация имитационной модели на основе
случайных полей и статической модели блокировки для анализа эффекта
микромобильности абонентских терминалов.
Методами исследования является математическое моделирование
распространение сигнала в терагерцовом диапазоне в условиях
микромобильности абонентских терминалов с использованием аппарата
теории вероятностей, а именно пуассоновского распределения, понятий
интерференции и вероятности блокировки.
Научная новизна работы заключается в том, что эффект
микромобильности в терагерцовом диапазоне частот раскрыт в немногих
работах других авторов. Исследования в выпускной работе являются
уникальными, так как подход использования итоговой модели,
представленный в данной работе, не был предложен ранее.
Работа состоит из трех глав. В первой главе дается общее описание
терагерцового диапазона частот. В разделе 1.1 описываются особенности сетей
нового поколения. В подразделе 1.2. рассматриваются и обобщаются
исследования по терагерцовому диапазону частот и микромобильности в
рамках вышеописанной цели работы.
Вторая глава является обзорам необходимой математической и
характеристической базы для реализации итоговой модели. В подразделе 2.1
описана методика для реализации эффекта микромобильности абонентских
терминалов. В подразделе 2.2. поставлена задача исследования.
Третья глава представляет собой реализацию модели и тестирование ее
программными средствами. В подразделе 3.1. описана задача имитационного
моделирования, ее теоретическая подоплека. В подразделе 3.2 приведены
графики зоны покрытия для различных сценариев моделирования, а также
проведен анализ полученных результатов.

Список сокращений .............................................................................................. 4
Введение .................................................................................................................. 5
Глава 1. Современное поколение беспроводных сетей связи ....................... 8
1.1. Сети связи пятого поколения ....................................................................................... 10
1.2. Особенности сетей доступа в терагерцовом диапазоне частот ................................ 13
Глава 2. Микромобильность в сетях терагерцового диапазона ................. 15
2.1. Описание методики ........................................................................................................ 15
2.2. Постановка задачи исследования ................................................................................... 28
Глава 3. Анализ показателей качества ............................................................ 29
3.1. Задача проведения имитационного моделирования ..................................................... 29
3.2. Численные результаты и их интерпретация .................................................................. 30
Заключение ........................................................................................................... 32
Литература ............................................................................................................ 33
Приложение А. Листинг программы .............................................................. 38

Оригинальность по АП.Вуз на 27 февраля 2023 года более 70%.
Использование массивных антенных решеток для создания чрезвычайно
направленных диаграмм направленности антенн считается жизненно важным для
преодоления высоких потерь на трассе и атмосферного поглощения терагерцовых
линий связи. Однако высокая направленность также приводит к частым
рассогласованиям лучей из-за микромобильности пользовательского оборудования
(UE), таких как тряска и вращение, что приводит к спонтанному ухудшению уровня
SNR и потере времени связи для поиска луча. В данной работе сделаны начальные
шаги для исследования поведения характеристик линии связи в терагерцовом
диапазоне в зависимости от мелкомасштабной мобильности UE. Показано, что
оптимальный угол направленности антенны, ведущий к наибольшей средней
пропускной способности, сильно зависит от диаграммы микромобильности UE.

1. Ian F Akyildiz and Josep Miquel Jornet. 2016. Realizing ultra-massive MIMO
(1024 1024) communication in the (0.06–10) terahertz band. Nano
Communication Networks 8 (2016), 46–54.
2. Josep Miquel Jornet and Ian F Akyildiz. 2011. Channel modeling and capacity
analysis for electromagnetic wireless nanonetworks in the terahertz band. IEEE
Transactions on Wireless Communications 10, 10 (2011), 3211–3221.
3. Sooyoung Hur, Taejoon Kim, David J Love, James V Krogmeier, Timothy A
Thomas, and Amitava Ghosh. 2013. Millimeter wave beamforming for wireless
backhaul and access in small cell networks. IEEE Transactions on
Communications 61, 10 (2013), 4391–4403.
4. Vutha Va, Junil Choi, and Robert W. Heath. 2017. The impact of beamwidth on
temporal channel variation in vehicular channels and its implications. IEEE
Transactions on Vehicular Technology 66, 6 (June 2017), 5014–5029.
5. “M.2083: IMT vision - Framework and overall objectives of the future
development of IMT for 2020 and beyond,” ITU-R technical recommen- dation,
2015.
6. “M.2376: Technical feasibility of IMT in bands above 6 GHz,” ITU-R technical
report, 2015.
7. Y. Niu, Y. Li, D. Jin, L. Su, and A. Vasilakos V, “A survey of millimeter wave
communications (mmWave) for 5G: opportunities and challenges,” Wireless
Networks, vol. 21, pp. 2657–2676, November 2015.
8. M. Xiao, S. Mumtaz, Y. Huang, L. Dai, Y. Li, M. Matthaiou, G. K. Karagiannidis,
E. Bjo¨rnson, K. Yang, I. Chih-Lin, et al., “Millimeter wave communications
for future mobile networks,” IEEE J. Sel. Areas Commun, vol. 35, no. 9, pp. 1909–
1935, 2017.
9. 3GPP, “Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz (Release
14),” 3GPP TR 38.901 V14.1.1, July 2017.
10. A. Samuylov, M. Gapeyenko, D. Moltchanov, M. Gerasimenko, S. Singh, N.
Himayat, S. Andreev, and Y. Koucheryavy, “Characterizing spatial correlation of
blockage statistics in urban mmwave systems,” in IEEE GLOBECOM Workshops,
pp. 1–7, December 2016.
11. M. Gapeyenko, A. Samuylov, M. Gerasimenko, D. Moltchanov, S. Singh, M. R.
Akdeniz, E. Aryafar, N. Himayat, S. Andreev, and Y. Koucheryavy, “On the
temporal effects of mobile blockers in urban millimeter-wave cellular scenarios,”
IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 66, no. 11, pp. 10124–10138, 2017.
12. W. Roh, J. Y. Seol, J. Park, B. Lee, J. Lee, Y. Kim, J. Cho, K. Cheun, and F.
Aryanfar, “Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G
cellular communications: theoretical feasibility and prototype,” IEEE Commun.
Mag., vol. 52, pp. 106–113, Feb. 2014.
13. M. Giordani, M. Mezzavilla, and M. Zorzi, “Initial access in 5G mmwave cellular
networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 54, pp. 40–47, November 2016.
14. S. Kutty and D. Sen, “Beamforming for millimeter wave communi- cations: An
inclusive survey,” IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 18, pp. 949–973,
Secondquarter 2016.
15. F. Maschietti, D. Gesbert, P. de Kerret, and H. Wymeersch, “Robust location-aided
beam alignment in millimeter wave massive MIMO,” pp. 1–7, December 2017.
16. T. Nitsche, A. B. Flores, E. W. Knightly, and J. Widmer, “Steering with eyes
closed: Mm-wave beam steering without in-band measurement,” in IEEE
INFOCOM, pp. 2416–2424, April 2015.
17. N. Bhushan, J. Li, D. Malladi, R. Gilmore, D. Brenner, A. Damnjanovic, R. T.
Sukhavasi, C. Patel, and S. Geirhofer, “Network densification: the dominant theme
for wireless evolution into 5G,” IEEE Commun. Mag., vol. 52, pp. 82–89,
February 2014.
18. A. Osseiran, F. Boccardi, V. Braun, K. Kusume, P. Marsch, M. Maternia, O.
Queseth, M. Schellmann, H. Schotten, H. Taoka, H. Tullberg, M. A. Uusitalo, B.
Timus, and M. Fallgren, “Scenarios for 5G mobile and wireless communications: the vision of the METIS project,” IEEE Commun. Mag., vol. 52, pp. 26–35, May
2014.
19. V. Petrov, D. Solomitckii, A. Samuylov, M. A. Lema, M. Gapeyenko,D.
Moltchanov, S. Andreev, V. Naumov, K. Samouylov, M. Dohler, and Y.
Koucheryavy, “Dynamic multi-connectivity performance in ultra- dense urban
mmWave deployments,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 35, pp. 2038–2055,
September 2017.
20. C. N. Barati, S. A. Hosseini, M. Mezzavilla, T. Korakis, S. S. Panwar, S. Rangan,
and M. Zorzi, “Initial access in millimeter wave cellular systems,” IEEE Trans.
Wireless Commun., vol. 15, no. 12, pp. 7926– 7940, 2016.
21. J.-C. Guey, M.-P. Chang, C.-H. Yu, and C.-C. Su, “Modeling and evaluation of
beam tracking in mobile millimeter wave communication,” in IEEE PIMRC, pp.
775–780, 2015.
22. M. Giordani, M. Mezzavilla, S. Rangan, and M. Zorzi, “Multi- connectivity in 5G
mmWave cellular networks,” in MED-HOC-NET, pp. 1–7, June 2016.
23. Qualcomm, "Making 5G NR a reality", December 2016 [available:
https://www.qualcomm.com/documents/whitepaper-making-5g-nr- reality]
24. G. A. Akpakwu, B. J. Silva, G. P. Hancke and A. M. Abu-Mahfouz, "A Survey on
5G Networks for the Internet of Things: Communication Technologies and
Challenges," in IEEE Access, vol. 6, pp. 3619-3647, 2018.
25. A. Gupta and R. K. Jha, “A survey of 5g network: Architecture and emerging
technologies,” IEEE access, vol. 3, pp. 1206–1232, 2015.
26. S. Buzzi, I. Chih-Lin, T. E. Klein, H. V. Poor, C. Yang, and A. Zappone, “A survey
of energy-efficient techniques for 5g networks and challenges ahead,” IEEE
Journal on Selected Areas in Communications, vol. 34, no. 4, pp. 697–709, 2016.
27. E. Oh, K. Son, and B. Krishnamachari, “Dynamic base station switching- on/off
strategies for green cellular networks,” IEEE transactions on wireless
communications, vol. 12, no. 5, pp. 2126–2136, 2013.
28. C. Liu, B. Natarajan, and H. Xia, “Small cell base station sleep strategies for
energy efficiency,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 65, no. 3, pp.
1652–1661, 2016.
29. . V. Lopez et al., “Opportunities and challenges of mmWave NR,” IEEE Wireless
Commun., vol. 26, pp. 4–6, Apr. 2019.
30. I. F. Akyildiz, J. M. Jornet, and C. Han, “Terahertz band: Next frontier for wireless
communications,” Phys. Comm., vol. 12, pp. 16–32, 2014.
31. M. Giordani et al., “Towards 6G networks: Use cases and technologies,” ArXiv,
vol. abs/1903.12216, Mar. 2019.
32. I. F. Akyildiz and J. M. Jornet, “Realizing ultra-massive MIMO (1024 1024)
communication in the (0.06–10) terahertz band,” Nano Commun. Net., vol. 8, pp.
46–54, June 2016.
33. J. M. Jornet and I. F. Akyildiz, “Channel modeling and capacity analysis for
electromagnetic wireless nanonetworks in the terahertz band,” IEEE Trans. on
Wireless Commun., vol. 10, pp. 3211–3221, Oct. 2011.
34. S. Hur et al., “Millimeter wave beamforming for wireless backhaul and access in
small cell networks,” IEEE Trans. on Commun., vol. 61, pp. 4391–4403, Oct.
2013.
35. V. Petrov et al., “The effect of small-scale mobility on terahertz band
communications,” in Proc. of ACM NANOCOM, Sep. 2018.
36. B. Peng and T. Kurner, “Three-dimensional angle of arrival estimation in dynamic
indoor terahertz channels using a forward-backward algorithm,” IEEE Trans. on
Vehic. Tech., vol. 66, pp. 3798–3811, May 2017.
37. S. Priebe, M. Jacob, and T. Kurner, “The impact of antenna directivities on THz
indoor channel characteristics,” in Proc. of EUCAP, Mar. 2012.
38. S. Priebe, M. Jacob, and T. Kurner, “Affection of thz indoor communi- cation links
by antenna misalignment,” in Proc. of EUCAP, Mar. 2012.
39. J. Wildman et al., “On the joint impact of beamwidth and orientation error on
throughput in directional wireless poisson networks,” IEEE Trans. on Wireless
Commun., vol. 13, pp. 7072–7085, Dec. 2014.
40. A. Thornburg and R. W. Heath, “Capacity in mmWave ad hoc network with
imperfect beam alignment,” in Proc. of IEEE MILCOM, Oct. 2015.
41. R. Singh and D. C. Sicker, “Parameter modeling for small-scale mobility in indoor
THz communication,” ArXiv, vol. abs/1908.09047, 2019.
42. A. Zhou et al., “Following the shadow: Agile 3-D beam-steering for 60 GHz
wireless networks,” in Proc. of IEEE INFOCOM, Apr. 2018.
43. M. K. Haider and E. W. Knightly, “Mobility resilience and overhead constrained
adaptation in directional 60 GHz WLANs: Protocol design and system
implementation,” in Proc. of ACM MobiHoc, July 2016.
44. A. Geim, K. Novoselov, The rise of graphene, Nature Mater. 6 (2007) 183–191.
45. A.N. Pal, A. Ghosh, Ultralow noise field-effect transistor from multilayer
graphene, Appl. Phys. Lett. 95 (8) (2009).
46. J.M. Jornet, I.F. Akyildiz, Channel modeling and capacity analysis for
electromagnetic wireless nanonetworks in the terahertz band, IEEE Trans.
Wireless Commun. 10 (10) (2011) 3211–3221.
47. HITRAN: high-resolution transmission molecular absorption database, Harvard-
Smithsonian Center for Astrophysics, Database, 2014. www.cfa.harvard.edu.