Гуков_5G_УрФУ

1.

Исследование принципов распространения радиоволн в
системах сотовой связи 5G в условиях городской застройки
Докладчик: Гуков Егор Юрьевич
Группа РИ-421111
Инфокоммуникационные технологии и системы связи
Производственная практика, преддипломная
Руководитель: Саблина Н.Г.
Соруководитель: Ремизов Д.В.11.03.02 Инфокоммуникационные технологиии
системы связи, Екатеринбург 2026
1/18

2.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ
Цель практики
– исследование принципов распространения радиоволн и эффектов мобильности
в сетях 5G NR методом детерминированного моделирования в условиях
застройки г. Екатеринбурга
Задачи
• Изучить теоретические основы мобильности в сетях 5G и классификацию
моделей каналов распространения
• Обосновать выбор программного инструментария (Sionna RT) для
детерминированного моделирования
• Разработать пять реалистичных 3D-моделей городской застройки г.
Екатеринбурга на основе геоданных OpenStreetMap
2/18

3.

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
5G NR (5th Generation New Radio)
– стандарт пятого поколения мобильной связи с поддержкой диапазонов FR1
(Sub-6 ГГц) и FR2 (mmWave, 24–100 ГГц).
Рейтрейсинг (Ray Tracing, RT)
– метод детерминированного моделирования распространения радиоволн,
основанный на принципах геометрической оптики. Каждый луч отражается,
преломляется и рассеивается согласно законам Снеллиуса–Френеля.
CIR (Channel Impulse Response)
– импульсная характеристика канала; описывает задержки и мощности всех
путей распространения сигнала.
LOS / NLOS (Line-of-Sight / Non-Line-of-Sight)
3/18
– сценарии прямой и непрямой видимости. В mmWave-диапазоне переход

4.

ЭФФЕКТЫ МОБИЛЬНОСТИ В 5G
Эффект Доплера
При движении UE несущая частота
принятого сигнала смещается. На частоте
28 ГГц при скорости 120 км/ч
доплеровский сдвиг достигает нескольких
кГц → когерентное время канала ≈
единицы мс.
Рис. — Иллюстрация эффекта Доплера
Нестационарность канала
В mmWave статистика канала (задержки,
углы
AoA/AoD,
мощности
путей)
меняется при перемещении пользователя
на десятки сантиметров — нарушается
условие
широкосмысловой
Рис. — Beam-tracking в Massive MIMO 5G
4/18

5.

КЛАССИФИКАЦИЯ
МОДЕЛЕЙ
КАНАЛОВ
Стохастические модели (3GPP TR 38.901, QuaDRiGa, NYUSIM)
РАСПРОСТРАНЕНИЯ
Параметры канала (задержки, углы, мощности) генерируются случайно по
статистическим распределениям. Быстрый расчёт (мс) тысяч реализаций. Применяются
для системных симуляций больших сетей.
Детерминированные модели — рейтрейсинг
Каждый луч от TX отражается, преломляется и рассеивается по геометрии реальной 3Dсреды. Физически точная картина для конкретной застройки. Высокая вычислительная
сложность.
Переход: геометрически-стохастические модели (GBSM)
QuaDRiGa, NYUSIM — часть параметров детерминирована (привязана к кластерам),
часть случайна. Компромисс между точностью и скоростью.
Вывод
5/18
Для site-specific моделирования застройки Екатеринбурга выбран детерминированный

6.

ВЫБОР ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ
СИМУЛЯЦИИ
Сравнение программных инструментов для моделирования радиоканала
5G:
• Wireless InSite (Remcom) — коммерческий. GPU: Да. Открытый код: Нет. Дифф. RT:
Нет.
• WinProp (Altair) — коммерческий. GPU: Да. Открытый код: Нет. Дифф. RT: Нет.
• MATLAB Ray Tracing — коммерческий. GPU: частично. Открытый код: Нет. Дифф.
RT: Нет.
• QuaDRiGa — бесплатный. GPU: Нет. Открытый код: Да. Дифф. RT: Нет.
• NYUSIM — бесплатный. GPU: Нет. Открытый код: Да. Дифф. RT: Нет.
• Sionna RT (NVIDIA) — бесплатный. GPU: Да. Открытый код: Да. Дифф. RT: ДА.
Интеграция с DL: TF/PyTorch.
6/18

7.

МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ 3D-СЦЕН
Источники геоданных и инструменты
• OpenStreetMap (OSM) — полигоны зданий
с атрибутами высоты. Экспорт через
Overpass API в формате .osm (XML).
• Blender 4.x + плагин blender-osm —
автоэкструзия зданий, назначение
материалов, экспорт в XML/Mitsuba.
• Sionna RT (Google Colab + GPU) —
загрузка сцены, расстановка TX/RX, расчёт
рейтрейсинга.
Рис. — Трассировка лучей в Sionna RT (3D-сцена с
ДН антенн)
Параметры материалов (ITU-R P.2040)
• Бетон: ε_r = 5,31, σ = 0,0326 С/м
• Кирпич: ε_r = 3,75, σ = 0,038 С/м
7/18

8.

СЦЕНА 1 — ИРИТ-РТФ УрФУ
Сцена 1: ИРИТ-РТФ УрФУ, 330×330
м
• Тип застройки: университетский кампус
с П/Г-образными корпусами.
• Число БС: 1 (3 TX), высота 20 м.
• Характерный эффект: коридорный —
вдоль учебных аллей сигнал
распространяется значительно дальше,
чем в перпендикулярных направлениях.
Рис. — Карта SINR, ИРИТ-РТФ
• Карты покрытия подтверждают сильное
затенение за корпусами.
8/18

9.

СЦЕНА 2 — АКАДЕМИЧЕСКИЙ РАЙОН
Сцена 2:
500×500 м
Академический
район,
• Тип застройки: современный
микрорайон, высотки 16–25 этажей.
• Число БС: 1 (3 TX), высота 40 м.
• Усиление антенны TX (PlanarArray
16×16): 32,1 дБ.
Рис. — Карта Path Gain, Академический район
• Карты покрытия показывают рисунок
«звезды» с лучами вдоль
межквартальных проездов. Одна БС
обеспечивает покрытие большей части
500 м сцены.
• Точечные высотки создают выраженные
вертикальные теневые зоны в NLOS.
9/18

10.

СЦЕНА 3 — УЛ. ВАЙНЕРА: LOS VS NLOS
Сцена 3: ул. Вайнера, 300×300 м —
Street Canyon
• Исторический центр Екатеринбурга.
Узкая пешеходная улица с плотной
одноэтажно-трёхэтажной застройкой.
• RX0–RX1: вдоль улицы (LOS) — 6
путей, RMS DS = 36,2 нс, макс. −79,3 дБ.
Рис. — 3D-сцена ул. Вайнера с картой покрытия
• RX2–RX4: за углом здания (NLOS) — 2
пути, RMS DS = 124,1 нс, макс. −128,0
дБ.
• Падение мощности LOS→NLOS: 49 дБ.
Рост RMS DS в 3,4 раза.
• CFR: глубина замирания в NLOS (~8 дБ)
вдвое превышает LOS (~3 дБ).
10/18

11.

СЦЕНА 3 — CIR И CFR: LOS ПРОТИВ NLOS
CIR: сравнение LOS и NLOS (ул.
Вайнера)
• LOS 86 м: 6 путей, RMS DS = 36,2 нс,
макс. мощность −79,3 дБ.
• NLOS за углом: 2 пути, RMS DS = 124,1
нс, макс. мощность −128,0 дБ.
• CFR: LOS — умеренные осцилляции (~3
дБ); NLOS — идеальная синусоида (~8
дБ).
Рис. — CIR NLOS: 2 пути, RMS DS = 124,1 нс, −128 дБ
• τ_max (LOS) = 290 нс, τ_max (NLOS) =
323 нс.
11/18

12.

СЦЕНА 4 — УЛ. ШЕФСКАЯ (UMa)
Сцена 4: ул. Шефская, 500×500 м —
Urban Macro (UMa)
• Широкая транспортная артерия с
разреженной застройкой. Протяжённые
LOS-зоны вдоль проспекта.
• RX на 200 м: 6 путей, DS = 49,7 нс, Path
Gain = −84,0 дБ.
Рис. — 3D-сцена ул. Шефской в Blender
• RX на 300 м: 4 пути, DS = 24,3 нс, Path
Gain = −87,8 дБ.
• RX на 500 м: 5 путей, DS = 7,2 нс, Path
Gain = −92,3 дБ.
• Закономерное затухание ~2 дБ на
каждые 100 м — хорошо согласуется с
моделью свободного пространства.
12/18

13.

СЦЕНА 5 — УРАЛМАШ
Сцена 5: Уралмаш, 800×800 м —
смешанная/промышленная
• Жилые кварталы советской эпохи +
промышленные корпуса завода
«Уралмаш». Две БС для покрытия
большой территории.
• Симуляция в ограниченном режиме
(только отражения, без дифракции) из-за
вычислительных ограничений.
Рис. — 3D-сцена Уралмаш в Blender (вид сверху)
• Длинные LOS-пути через открытые
пространства между корпусами.
• При включении диффузного рассеяния
ожидаемый RMS DS: 400–800 нс
(наибольший из 5 сцен).
13/18

14.

ВЕРИФИКАЦИЯ: 3GPP TR 38.901 VS SIONNA RT
Сравнение выполнено для сцены ул. Шефская (UMi-Street Canyon, f = 3,5
ГГц):
• 100 м: 3GPP LOS = −70,1 дБ | 3GPP NLOS = −91,1 дБ
• 200 м: 3GPP LOS = −76,4 дБ | Sionna LOS = −84,0 дБ | Δ = −7,6 дБ | Sionna NLOS ≈
−108 дБ
• 300 м: 3GPP LOS = −80,2 дБ | Sionna LOS = −87,8 дБ | Δ = −7,6 дБ | Sionna NLOS ≈
−115 дБ
• 500 м: 3GPP LOS = −85,4 дБ | Sionna LOS = −92,3 дБ | Δ = −6,9 дБ | Sionna NLOS: нет
сигнала
Интерпретация результатов
Стабильное отклонение 7–8 дБ в LOS: 3GPP даёт медианное значение для «среднего»
города; конкретная геометрия ул. Шефской даёт несколько большие потери.
14/18
В NLOS на 500 м детерминированный рейтрейсинг фиксирует нулевое покрытие против

15.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теоретический анализ:
Изучены эффекты мобильности 5G. Для mmWave и Massive MIMO детерминированные
модели превосходят стохастические в точности предсказания поведения канала в
конкретной застройке.
Обоснование инструментария:
Sionna RT выбран как единственный инструмент с GPU, открытым кодом и
дифференцируемым RT и интеграцией с ML.
Практическая реализация:
Созданы 5 уникальных 3D-сцен Екатеринбурга (ИРИТ-РТФ, Академический, Вайнера,
Шефская, Уралмаш). Построены карты покрытия, CIR и CFR.
Верификация:
Отклонение Sionna RT от 3GPP TR 38.901 в LOS: 7–8 дБ. В NLOS на 500 м
15/18
детерминированная модель фиксирует нулевое покрытие против −114,8 дБ по стандарту.

16.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕРКИ НА АНТИПЛАГИАТ
16/18

17.

ОТЗЫВ РУКОВОДИТЕЛЯ
Кондюрин Сергей Денисович
Достоинства:
1. Освоил этапы проектирования систем связи, приобрел практические навыки
настройки и тестирования сетевого оборудования, познакомился с
документацией сетей связи, изучил графическую и теоретическую часть.
2. Оценка за практику – 9
17/18

18.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ
Гуков Егор Юрьевич
Эл.почта: egorka387@mail.ru
18/18