I n t ern a t i o n a l  J o u rn a l  o f  E l ect ri ca l  a n d  C o m p u t er E n g i n eeri n g  ( I J E C E )   V o l.   8 ,  No .   5 O c t obe r   20 1 8,  p p.  30 03~ 3 020   I S S N :  2088 - 8708 D O I :  10. 11 591/ i j ece . v8 i 5 . pp 300 3 - 3020          3003       Jou r n al  h om e p age h ttp : //ia e s c o r e . c o m/ j our nal s / i nde x . php/ I J E C E   E nha ncing  t he  Ca pa cit y  o f  t h e I nd oo r 6 0  G H z B a nd  Via   M o dif ied I ndo o E nv iro n m en t s   Us ing  Ring  F r equen cy  Select iv e   Surf a ce Wa llpa pe rs   a nd  P at h  L os s  M od e l s       N id a l Q a s e m   D ep ar t m en t  o f   E l e c t r oni c s  a n d C om m uni c a t i ons  E ng i ne e r i ng ,  A l - A h l i y y A m m an  U n i v er s i t y ,  J or da n       A rt i cl e I n f o     AB S T RAC T   A r tic le  h is to r y :   R ecei v ed   O c t 2 8 ,  201 7   Re v i se d   F e b 26 ,  2 01 8   A ccep t ed   J ul  1 5 ,  201 8       T he  60 G H z  ba nd  ha s  be e n s e l e c t e d f or  s hor t - r an g e co m m u n i cat i o n  s y s t e m s   t o  m eet   co n s u m er s  n eed s   f o r  h i g h  d at a r at es .  H o w ev er ,  t h i s   f r eq u en cy  i s   a t t e nua t e d by  obs t a c l e s .  T hi s  s t u dy   a ddr e s s e s  t he  l i m i t a t i ons  of  t he  60 G H z   ba nd  by  m odi f y i ng  i nd oor  e nv i r onm e n ts  w ith  r in g  F r e q u e n c y  S e le c tiv e   S u r f a c e s  ( F S S s )   w a llp a p e r ,  th e r e b y  in c r e a s in g  its  u tiliz a tio n .  T h e  r in g  F S S   w a l l pa pe r  r e s pons e  a t  a  61. 5 G H z   f r e que nc y  ha s  be e n a na l y z e d  us i ng  bot h   M A T L A B  a nd C om put e r  S i m ul a t i on  T e c hnol og y  ( C S T )  M i c r ow a v e  S t udi o   (M W S ) s o f t w ar e.  ‘ W i r el es s  I n S i t e’  i s  al s o  u s ed  t o  d em o n s t r at e  en h an ced   w a v e  pr opa g a t i on i n a  b ui l d i ng   m odi f i e w i t h r i ng  F S S s  w a l l pa pe r .  T he   de m ons t r a t i on i s  a ppl i e d t o S i ng l e  I nput  S i ng l e  O ut p ut  ( S I S O )  a n d M ul t i pl e   I n p u t M u lti p le  O u tp u t ( M I M O )   s y s te m s  to  v e r if y  th e   e f f ect i v en es s  o f  F S S s   o n  s u ch  s y s t e m s   cap aci t y .   T h ef f ect i v en es s  o f  t h e s u g g es t ed   m o d i f i cat i o n   o v er  d el a y  s p r ead  h as  b een  s t u d i ed  f o r  t h e M I M O  s cen ar i o ,  as   w el l  a s  t h e f f e c t  of  t he  hum a n body  on c a pa c i t y .  S i m ul a t i on r e s ul t s  pr e s e nt e he r e  s how   th a t m o d if y in g  a  b u ild i n g  u s i n g  r in g  F S S  w a llp a p e r  is  a n  a ttr a c tiv e  s c h e m e   f or  s i g ni f i c a nt l y  i m pr ov i ng  t he  i nd oor   60 G H z  w i r e l e s s  c o m m uni c a t i o ns   ba nd.  T hi s  pa pe r  a l s o pr e s e nt s  a nd c o m pa r e s  t w o l a r g e - s c a l e  i ndo or   pr o pa g a t i on  P a t h L os s  M ode l s  ( P L M s ) ,  t he  C l os e - In  (C I) fre e  s p a c e   r ef er en ce d i s t an ce m o d el  an d   t h e F l o at i n g  I n t er cep t  ( F I )  m o d el .  D at obt a i ne d f r om  ‘ W i r e l e s s  I nS i t e   ov e r  di s t a nc e s  r a ng i ng   f r o m  4 t o 14. 31 m  i s   a na l y z e d.  R e s ul t s  s how  t ha t  t he  C I   m ode l  pr ov i de s  g oo d e s t i m a t i on a n e x hi bi t s  s t a bl e  be ha v i or  ov er   f r eq u en ci es  an d  d i s t an ces ,  w i t h  a  s o l i d  p h y s i cal   ba s i s  a nd l e s s  c om put a t i o na l  c om pl e x i t y   w he n c om pa r e d t o t he  F I   m ode l .   Ke y wo rd :   60 G H z  ba n d   F r eq u en c y  s el ect i v e s u r f ace   In d o o r w i re l e s s   M illi m e te r  w a v e   M I M O   P a t h  l os s   m ode l   R i n g F S S   SI SO       C opy r i g ht   ©  201 8   I ns t i t ut e  o f  A d v anc e d E ngi ne e r i ng  an Sc i e nc e   A l l  ri g h t s re se rv e d .   Co rre sp o n d i n g  Au t h o r :   N id a l Q a s e m ,   D ep ar t m en t  o f  E l ect r o n i cs  a n d  C o m m u n i cat i o n s  E n g i n eer i n g ,  F acu l t y  o f  E n g i n eer i n g ,   Al - A hl i y ya   A m m a n U ni ve r s i t y,   Z i p - c ode  ( P os t a l  A ddr e s s ) :   19328,  A m m a n ,  J or da n .   E m a il:  N e . q a s e m@ a mma n u . e d u . j o       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e   60  G H z   ba n i s   a   pe r f e c t   c h oi c e   f or   a c h i e vi ng   t h e   de s i r e g oa l   of   obt a i ni ng   h i gh - s p eed   d at r a te s   w it h  a  th e o r e tic a l u p p e r  li m it o f  6 . 5   G ig a b it - p er - s eco n d   ( G bps ) .  I t  a l s o  pr ov i de s   b en ef i t s ,  s u c h  as  a 1 0   W  m a xi m u m  t r a ns m i t  p o w e r ,  a  hi gh l e ve l  o f   f r e q ue nc y r e u s e ,  a nd  a  hi g h l e ve l  o f   s a vi n g s  i n o p e r a t i o ns  [ 1 ] .   W h e n  c o m pa r i ng  t h e  60 G H z   ba n w i t h  ot h e r   un l i c e n s e d ba n ds ,  i t  c a n be  s e e n  t h a t   t h e  60 G H z  ba n d pr ov i de s   m u c h   h i g h er  d at a r at es .  H o w e v e r ,  i t  i s  e a s i l y  bl oc k e d b y  obs t a c l e s ,  a n d t h i s  pl a c e s   m or e  r e s t r i c t i ons  on us i ng  i t .  F o r  ex a m p l e,  co n cr et m at er i al s ,  g l a s s ,   w al l s ,  a n d  t h h u m an  b o d y  ca n  ca u s l ar g s i g n al  at t e n u at i o n  o n  a   60 G H z  ba n d.  T h us ,  t h e  6 0 G H z  c o m m uni c a t i on ba nd i s   m or e   s u i t a bl e  f or  i n door  a n d s h or t - r an g en v i r o n m e n t s  i n   w h i c h  s u f f i c i en t  r ef l ect o r s  ar e p r es en t  [ 2 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SSN :   20 88 - 8708   In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g ,   V o l.   8 , N o 5 O c t obe r  20 18   :   300 3   -   3020   3004   T h e u n l i cen s ed  6 0  G H z b a n d  al l o cat es  9   G H s u b - ba n ds ,  w hi c h  v a r i e s  s l i gh t l y   de pe n di n on  l oc a l   r e g u l a t i on s .  T e c h n i c a l   s t a n da r ds  di v i de  t h i s  ba n d i nt o f our  2. 1 6   G H z  c ha nne l s .  T he  61 . 5  G H z  f r e q ue nc w h i c h  al l o cat es  at   t h s eco n d  ch an n el   h as  b een   s el ect ed   f o r  t h i s  s t u d y   s i n ce i t  i s  co m m o n l y   u s ed  as  a n   unl i c e n s e d  f r e q ue nc y i n d i f f e r e nt  r e gi o ns  a nd  c o u nt r i e s  [ 3 ] .   I n d o o r   ch an n el   s i m u l a t i o n s / m eas u r e m en t s  ar v ita l to  u n d er s t an d i n g  P at h   L o s s  ( P L )  as  a f u n ct i o n  o f  d i s t an ce,  an d  t e m p o r al  an d  s p at i al  ch ar act er i s t i c s ,   w h i c h  ar e cr u ci al  i n  p er f o r m i n g  s y s t e m - w i d e  s i m u l at i o n s  t o  es t i m at n et w o r k  s y s t e m  ca p aci t i es  a n d  o v er al l   d at t h r o u g h p u t s .   P L   m o d el s   ( P L M s )   ar v er y   i m p o r t an t   m ode l s   w i t h   w hi c h   t c o m pr e he n a n s t u d y   t h e   at t en u at i o n  o f   s i g n al   p r o p ag at i o n   f r o m   t r a n s m i t t er s  ( T x s )   t o   r ecei v er s   ( R x s ) ,   a n d   al l o w  acc u r at c h a n n el   m ode l s  t o be  de s i gn e f or  n e t w or k s i m ul a t i o n s ,   w h i c h ,   i t u r n ,  h e l i n de s i g n i ng  c o m m u n i c a t i on s y s t e m s T he  m o s t  c o m m o n s i n gl e - f r eq u en c y  P L Ms  ar e   Cl o se - I n  (C I)  a nd   F lo a tin g  I n te r c e p t ( F I ) .  B o t h o f  t he s e   m ode l s   w i l l  be  s t u di e d i n  t h i s   pa pe r  [ 4] .   T hi s  s t ud y   f o c us e s  o ut i l i z a t i o n b y s ug ge s t i ng  a n  u np r e c e d e nt e d  t e c h ni q ue  t ha t  c a n c o nt r o l  t h e   pr opa g a t i on  of  t h e  i n door   w i r e l e s s  e nv i r onm e n t  of  t h e  60  G H z  ba n d by  c o m pl e t e l y  r e f l e c t i ng  t h e  e nt i r e  60  G H z b an d ,   k eep i n g   i t  i n s i d e t h e  ar ea o f  i n t er es t .  T h i s  t e ch n i q u u s e s  r i n g  F r eq u e n c y  S el ect i v S er v i ce s   ( F S S s )   w a l l pa pe r  i n  or de r  t o pr ov i de  a   m or e  s t r ong l y  r e c e i ve d s i g n a l; i t d o e s  th is  b y  i n c r e a s in g  t h e   m u ltip a t h   p r o p a g a tio n  d u e  to  th e  v a r ie ty  o f  s ig n a l p a th s .   I n  ad d i t i o n ,  t h i s  r es ear ch  p r o v i d es  a co m p r eh en s i v e s t u d y  o f   i n door  pr opa g a t i on  a t  t h e  60 G H z  ba n d by  u s i ng  di f f e r e n t  s c e n a r i os  t o g e n e r a t e  a  l a r g e - s cal e P at h  L o s M o d e l  ( P L M )  f o r  e nha nc i ng  5 th   g en er at i o n   s t an d ar d s  at  t h e 6 0  G H z b an d .  I n  an y  cas e,  ex t en s i v e i n d o o r   p r o p ag at i o n   s i m u l at i o n s   a t   t h 6 0   G H b an d   ar n eed ed   i n   o r d er   t o   accu r at el y   ch ar act er i ze  an d   m o d el   t h e   ch an n el   n eed ed  t o  d es i g n  a ca p ab l e i n d o o r  s y s t e m   a t  t hi s   f r e q ue nc y .   T h i s  p ap er  i s  o r g an i zed  as  f o l l o w s :   S ect i o n  2  ex p l ai n s  t h e E q u i v al e n t   C i r cu i t  M o d el  ( E C M )  an al y s i s   te c h n iq u e  a n d  a p p lie s  it to  th e  r in g  F S S   w a llp a p e r .  N e x t,  S e c tio n  3   is  d iv id e d  to  s u b s e c tio n s .  F ir s t,  it   e x a m in e s  th e   s i m u la tio n  r e s u l ts   a n d  d is c u s s io n .  I t s ta r t s   w i th   r in g  F S S   w a llp a p e r ,  a n d  it s  tr a n s m i s s io n  a n d   r e f le c tio n  c o e f f ic ie n t s ,  u s in g  b o th  M A T L A B  a n d   C o m p ut e r  S i m ul a t i o n T e c hno l o g y ( C S T )  M i c r o w a ve   S t ud i o   ( M W S) .  T he n ,   d e m o n s t r at es  i n v e s t i g at i o n s  o f   s o m e s e l ect ed  s cen ar i o s  u s i n g   W i r e le s s  I n S ite ,   t he s e   s c e n a r io s   h a v e  b e e n  te s te d  i n   b o th  th e  S i n g le  I n p u t S in g le   O u tp u t ( S I S O )  a n d  M u ltip le  I n p u M u l tip le  O u tp u t   ( M I MO )  cas es .  S I S O  an d  M I M O  s cen ar i o s  ar e p r es en t ed   an d  p er f o r m ed   b o t h   w i t h  a n d   w i t h o u t  r i n g   F S S   w a llp a p e r  to  in v e s tig a te  r in g   F S S   w al l p ap er s  e f f ect  o n  t h e  r ecei v ed  s i g n al  p o w er ,  b o t h  i n  t h e p r es en ce a n d   a bs e n c e  of  hum a n  bodi e s .   Al s o ,  i t   p r es en t s  t h e S I S O  an d  M I M O  cap aci t y  e n h a n ce m e n t  r es u l t s .   I n  a d d itio n it   ex p l ai n s  t h e d el a y   s p r ead  cal cu l at i o n s  a n d  r es u l t s .   A s   w e ll a s ,  it   e xp l a i n s  a n d  p r e se n t s P L M s r e s u l t s.  F i n a l l y ,   S e c tio n   4   co n cl u d e s  t h i s  p ap er .       2.   R IN G   F SS  W A L LP A P ER   F S S s  ar e p l a n ar  p er i o d i c s t r u ct u r es   t h at  ca n  b e u s ed  as  a f i l t er  f o r  a s p eci f i c f r e q u en c y  o f   el ect r o m ag n et i w a v es ,  d ep en d i n g   o n   t h i n t er f er en ce  ca u s ed   b y   t h p er i o d i ar r ay s   o f   b o t h   d i el ect r i an d   co n d u ct i n g  m at er i al s  w h i c h  m ak e s   f r eq u e n c y  s el ect i v e r es p o n s [ 5 ] ,  [ 6] .   F S S s ,  i n g e ne r a l ,  ha ve   m a n co m m o n  s h ap e s  an d  g eo m e t r i es ,  s u c h  as  a s q u ar e l o o p ,  r i n g ,  d i p o l e,  cr o s s  d i p o l e,   J er u s al e m  cr o s s ,  an d   tr ip o le .  T h e s e   t y pe s  c a n  be  i n  on e  of  f o u r   m ode s ;  hi gh - p a ss ,  l o w - p a ss ,  b a n d - pa s s ,  a n d ba n d s t op f i l t e r  [ 7 ].   P r ev i o u s  r es ear ch  s h o w s  t h at  t h e r i n g  F S S   w al l p ap er  f r eq u en c y  r es p o n s e c h ar act er i s t i c s  p r o v i d ex cel l e n t  p er f o r m a n ce;  a n g u l ar  s en s i t i v i t y ,  cr o s s  p o l ar i zat i o n ,  b an d w id th ,  a n d  s m a ll b a n d  s e p a r a tio n  [ 8 ] T hus ,  t he  r i n g F S S  s ha p e  ha s   b e e n s e l e c t e d  f o r  t hi s   s t ud y.   R i n g  F S S  i s  a ci r cu l ar  co n d u c t i v m at er i al  p l aced   o n   d i el ect r i s u r f ace  u s ed   a s   b an d - s t o p   f i l t er ,   w h i c h   i s   an   e x cel l e n t   r ef l ec t o r   f o r   r es o n an t   f r eq u en c y .   R i n g F S S  p h ys i c a l  p a r a m e t e r s  a r e  s ho w n i n F i gur e  1 .             Fi g u r e  1 .  A r r a y  o f  r i n g   FSS e l e m e n t s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       E nhanc i ng t he   C a pac i t y  of  t he  I ndo or  60 G H z  B an d V i a M o di f i e d I nd oor ... ( N i d a l  Q a s e m )   3005   I n t hi s   F i gur e ,     i s  t he   w i d t h o f   t he  c o nd uc t i ve  r i ng,      i s  t h e o u t er  d i am et er  o f   t h e r i n g ,      is  th e   i nne r  d i a m e t e r  o f   t he  r i n g,     i s  t h e s ep ar at i o n  p er i o d  b et w ee n  F S S  el e m e n t s ,  a n d     is  th e   s u b s tr a te  th ic k n e s s .   I n o r d e r  t o  t e s t  t he  r e s p o ns e  o f  t he  d e s i gne d  r i n g F S S ,  t he  E C M  a na l ys i s   t e c h ni q ue   ha s  b e e us e d .  T hi s   t ech n i q u e d ep en d s  o n  t h e i d ea  t h at  t h e i n t er act i o n  b et w een   t h w av e a n d   t h F S S  i s  i d en t i cal l y  t h e s a m e as  a  w a v e t h a t  p as s es  t h r o u g h  a t r an s m i s s i o n  l i n w i t h   s h u n t  l u m p ed  ci r cu i t  i m p ed an ces ,  as   s h o w n  i n  F i g ur e   2 (b ).         ( a )  R i n g   FSS.     (b ) E C M .     Fi g ur e   2 .  R in g  F S S  a n d  its  e q u iv a le n t c ir c u it       T h e E C m et h o d  h as  b een   u s ed  t o   ex t r act  t h e ci r c u i t  l u m p ed  p ar a m e t er s  cap aci t an ce   ( )  a nd   i nd uc t a nc e  ( ) ,  d ep en d i n g  o n  t h e F S S  p h y s i cal  p ar a m et er s ;     ,  a nd   ,  a s  d e p ic te d  in   F ig ur e   2 (a ).   T f i nd  t he  r i n g s i z e ,      i s  de t e r m i ne d de pe n di n g  on  t h e   ba s i c  r i ng r e s on a t or  e qu a t i on  [ 9 ]:      =                      (1 )     w h er   i s  t h w av el e n g t h  at  t h e  s el ect ed  r es o n an t   f r eq u e n c y ,   an d   [9 ] :      = + 2                   (2 )     W he r e     a nd     a r e  r e la tiv e  p e r m itti v it y  v a lu e s  f o r  th e  d ie le c tr ic  s u b s t r at e an d  t h e f r ee s p ace,  r es p ect i v el y .   T he     m u s t  b e l es s  t h an  t h e s h o r t es t   w a v el en g t h  i n  t h e o p er at i n g  b an d ,  an d  t h e v al u es  o f     a nd     c a n be   d et er m i n ed  e m p i r i cal l y   t o   ac h i ev e  t h b es t   r es p o n s e.   F i n a l l y ,  t h v al u o f     can   b d et e r m i n ed   u s i n g   t he   f o llo w in g  e q u a t io n  [ 9 ]:     =    2                   (3 )     A  s e t  o f  o p t i m al   v al u es ,  b as ed  o n  t r i al s ,  u s ed  i n  t h i s  s t u d y  ar e p r es en t ed  i n  T ab l e 1 .       T a b le   1.   T h e P h y s i cal  P ar am e t er s  U se d   f o r  D e s i gni n g R i n g F S S .   R e s o na nt  F r e q u e n c y   6 1 . 5 G H z     5        1 .1        1 . 0 7       0 . 0 1 5       0 .1         D ep en d i n g  o n  t h e s e l ect ed  p h y s i cal  p ar a m et er s  ab o v e,  t h e i n d u ct a n ce o f  t h e r i n g  r es o n a t o r  can  b e   cal cu l at ed  u s i n g  t h e eq u at i o n  [ 10 ]:     ( ) = 3 9 . 3 7   2 8 + 1 1                 ( 4 )     F act o r s  ( a nd  ( )  ar e i n    ,   w h e re  [1 0 ]:     = +    4                   (5 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SSN :   20 88 - 8708   In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g ,   V o l.   8 , N o 5 O c t obe r  20 18   :   300 3   -   3020   3006   a nd     =    2                   (6 )       i s  t h e co r r ect i o n  t er m ,   w h i c h   t ak es  i n t o  co n s i d er at i o n  t h e ef f ect  o f  t h g r o u n d  p l an e.  T h e co r r ect i o n  t er m   d ecr eas es  t h e   v al u e  o f   t h e  i ndu c t a n c e  b y   g e t t i ng   n e a r e r  t o  t h e  g r oun d,  de pe n di n g on   t he  f ol l o w i n g r e l a t i on  [ 9 ]:     = 0 . 5 7 0 . 1 4 5 ln                 (7 )     an d  t h e cap aci t an ce o f  t h e r i n g  F S S  i s  [ 9 ] :     ( ) = 1 ( 2  ) 2 1                 (8 )     A f t er  cal c u l at i n g   t h e eq u i v al en t  i n d u ct a n ce a n d  cap aci t an ce,   t h A B C D   m at r i x   h as  b een   u s ed   [ 2 ] .     T he  t r a ns m i s s i o n l i ne s  t ha t  c a n r e p r e s e nt  t he   A B C D   m a t r i a r e  s ho w n i n t he  F i g ur e   3.           F i gu r e  3.   T r a ns m i s s i o n l i ne ,   w hi c h c a n b e r ep r es en t ed  b y  an   A B C D   ma t r i x       T h e A B C D   m at r i x  can  b e ex p r es s ed  as  a f u n ct i o n  o f  t h e t r an s m i s s i o n  co ef f i c i en t  ( 2 1 )  an d  r ef l ect i o n   c o e f f ic ie n t ( 1 1 ) [2 ]:     2 1 = = 2 + + + = 2 1 + 0 + 1 3 + 1 = 2 2 + 1 3 = 2 2 +           (9 )     1 1 = = 1 | | 2 = 1 4 4 + 2               ( 10)       3.   R ES U LT S   AND D I S CU S S I O N   3 .1   R i ng  F SS ( M A T L A B )   M A T L A B   h as  b een  u s ed  t o  s o l v e t h t h eo r et i cal  eq u at i o n s   f o r  E C M   f o r  t h s u g g es t ed  d e s i g n  o f  t h e   r i ng  F S S  e l e m e nt .   T h e  ba s i c  r u l e  of  t hum b i n  de s i g ni ng  r i ng  c i r c um f e r e n c e  i s  t m a k e   i t s  r e s pons e   ap p r o x i m a t el y  eq u al  t o  t h e r e s o n an t  f r eq u e n c y  ( 61. 5 G H z ) .  F i g ur e s  4  a nd  5  s ho w  t he   2 1   a nd   1 1   r e s p o n se s   co ef f i ci e n t s  f o r  t h e d es i g n ed  r i n g   F S S  at  a 0 o   i n ci d e n ce an g l e ,  r es p ect i v el y .           F i g u r e 4 .  T h e t h eo r et i cal  f r eq u en c y  t r a n s m i s s i o n   r e s pon s e  of  r i ng  F S S   w a l l pa pe r  ba s e d on  E C M   e q ua t i o ns       F i g u r e 5 .  T h e t h eo r et i cal  f r eq u en c y  r e f l ect i o n   r e s pon s e  of  r i ng  F S S   w a l l pa pe r  ba s e d on  E C M   e q ua t i o ns   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       E nhanc i ng t he   C a pac i t y  of  t he  I ndo or  60 G H z  B an d V i a M o di f i e d I nd oor ... ( N i d a l  Q a s e m )   3007   3 . 2 .  R i ng  F SS ( C ST - M W S)     CS T - M W S  i s  u s ed  t o  t es t  an d  an al y s e t h e d es i g n ed  r i n g  F S S  p ar am et er s .  T h e an al y s i s   m et h o d  u s ed   is  th e   f i n ite   i nt e gr a t i o t ech n i q u e  o n  C a r te s ia n  o r  te tr a h e d r a l g r id s  [ 1 1 ].   R i n g  F S S   w al l p a p er  h as  b een  t e s t ed   f or  a  r a ng e  o f  di f f e r e n t   i n c i de n c e  a n gl e s   f r o m  0°  t o 60° .  T h e  S 21 i s  pr e s e n t e d f or  bot T r a n s v e r s e  E l e c t r i c   ( T E )  an d   T r an s v er s e M ag n et i c ( T M)  m o d es ,  as  s h o w n   i n  F i g ur e s   6 a n d 7,  r es p ect i v el y .  T h 1 1   i s a l so   p r es en t ed  f o r  t h e T E  an d  T M   m o d e s ,  as  s h o w n   i n   F i g ur e s   8  a n d  9 ,  r e s p e c tiv e l y .   A ll o f  t h e  f o llo w in g   f i g u r e s   f o r  t h e t r an s m i s s i o n  an d  r ef l e ct i o n  co ef f i ci en t s  ar e ex p r es s ed  i n  a r an g e o f  f r eq u e n ci e s  f r o m  5 0  t o  7 0  G H z.   C oppe r   w i t h   a  0. 07     th ic k n e s s  is   u s e d  a s  t h e  c o n d u c t iv e   m a te r ia l.  T h e  d ie le c tr ic   m a te r ia l is   A r lo n   A D   300,  w h i c h   h a s  a  0.    th ic k n e s s  a n d  a  r e la tiv e  p e r m it tiv it y   v a lu e  o f  3 .           F i g ur e  6 .  T he  t r a ns m i s s i o n r e s p o ns e  o f  r i n g F S S   w al l p ap er  f o r  T E - m ode           F i g ur e  7 .  T he  t r a ns m i s s i o n r e s p o ns e  o f   r i n g  FS w al l p ap er  f o r  T M - m ode           F i g u r e 8 .  T h e r ef l ect i o n  r es p o n s e o f  r i n g   F S S   w al l p ap er  f o r  T E - m ode           F i g u r e 9 .  T h e r ef l ect i o n  r es p o n s e o f   r i n g   FSS  w a l l p a p e r  f o r  T M - m ode       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SSN :   20 88 - 8708   In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g ,   V o l.   8 , N o 5 O c t obe r  20 18   :   300 3   -   3020   3008   I n  o r d er  t o  ev al u at e t h e r es p o n s o f  a f i l t er  as  a b an d - s t o p ,  t h e at t en u at i o n  v al u m u s t  e x c eed   - 25 d B   a t  t he  r e s o na nt   f r e q ue nc y ( 6 1 . 5  G H z )  t o  ki l l   t he   s i gna l  [ 1 2 ] .  A s  s h o w n i n F i g ur e s  6 a n 7,  t h e  t r a ns m i s s i on  co ef f i ci e n t s  f o r  b o t h  T E  an d  T M m o d es  ar m o r e t h a n   - 2 5  d B .   T h at   m ean s  t h at  t h e   s i g n a l   w i l l  be  de a w h e t r y i n g  t o  p en et r at e t h e ar ea o f  i n t er es t .  T h e r ef l ect i o n  co ef f i ci en t s  s h o w n  i n  F i g ur e s  8  an d  9  ar e  al s o  s m a l l er   t ha n   - 0 . 0 5  d B  at  6 1 . 5  G H z,   w h i ch  al l o w s  t h e r i n g   F S S   w al l p ap er  t o  act  as  a p er f ect  r ef l ec t o r  i n s i d e t h e ar ea o f   in te r e s t,  a c h ie v in g  it s  g o a l.   Fi g ur e   1 0  s h o w s  h o w  t h e d es i g n ed  r i n g  F S S   w al l p ap er  at t en u at es  t h w a v es  o f   61. 5 G H z  f r o m  por t  1 t o por t  2.  F i g ur e   1 1  s h o w s   h o w  t h e d es i g n ed  r i n g   F S S   w al l p ap er  al l o w s  t h w a v es  o f  5   G H z  to  p r o p a g a te  w ith o u t a tte n u a t io n   f r o m  p o r t 1  t o  po r t  2.           F i gu r e  10.  S i g n a l  pr opa g a t i on   a n i m a t i on   s n a ps h ot ,  f r o m  por t  1 t o p or t  2,  a t  61. 5 G H z  f r e qu e n c y           F i gu r e  11.  S i g n a l  pr opa g a t i on   a n i m a t i on   s n a ps h ot ,  f r o m  por t   1 t o p or t  2,  a t  5 G H z  f r e qu e n c y       3. 3.   I n ve s t i gat i on  of   Sc e na r i o s  U s i ng   W i rel es s  I n S i t e’   W i r e l e s s I n S i t e  i s  u s ed  as  a t o o l  t o  ev al u at e t h e r ecei v ed  p o w er  f o r  d i f f er en t  s ce n ar i o s   i n s i d e t h e   ar ea o f  i n t er es t  [ 1 3 ] .   T h e r ef l e ct i o n  an d  t r a n s m i s s i o n  co ef f i c i en t   v al u es  o f  t h e r i n g  F S S   w al l p ap er  h av e b een   e x p o r te d  to  ‘ W ir e le s s  I n S i t e   i n  or de r  t obt a i n  t h e  r i ng  F S S   w a l l pa pe r  r e s pon s e .   T w o  s cen ar i o s  i n  a r o o m   w i t h d i m e ns i o n 1 5 × 1   h av e  b een  i n v es t i g at ed .  T h e f i r s t  s cen ar i o  i n v es t i g at e s  a S I S O  co m m u n i cat i o n   s y s t e m ,  i n  t h e cas e o f  p r es e n ce an d  ab s en ce o f  r i n g  F S S .  T h e s eco n d  s cen ar i o  in v e s tig a te s  a  M I M O   co m m u n i cat i o n  s y s t e m ,   w h i l e M I M O   s cen ar i o   s t u d i e s  t w o   m o r e s u b - s c e na r i o s ;  w i t h   a nd  w i t ho ut  hu m a body .       3. 3. 1.  S I S O   Sy s t e m  Sc e na r i o   T hi s  s c e na r i o  c o ns i s t s  o f  a  S I S O  s ys t e m   w i t h a  s i ngl e  T x a nd  2 0  R x’ s  s i t ua t e d  i n d i f f e r e nt  l o c a t i o n s .   T he   T x ha s  a  d i r e c t i o na l  a nt e nna   w i t h 1 0  d B m  i np ut  p o w e r ,  1 4   d B i  ga i n,  2 . 5     he i g ht ,  a nd  9 0 o   H a lf - P o we r   B eam  W i d t h  ( H P B W ) .  E ach  R x   h as  a n  o m n i d i r ect i o n al   a nt e nna   w i t h a   he i ght  o f  1 . 5  m  a nd  a  s e n s i t i vi t y o f   - 64 d B m ,   w hi c h   s a t i s f i e s  t h e  r e qu i r e d G bps   da t a  r a t e  ( 2 G b ps )  [ 1] .   T h e  2D  v i e w  of  t h i s   s c e n a r i o i s  s h o w n i Fi g ur e   12.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       E nhanc i ng t he   C a pac i t y  of  t he  I ndo or  60 G H z  B an d V i a M o di f i e d I nd oor ... ( N i d a l  Q a s e m )   3009       F i gu r e  12.  2D  v i e w  of  t h e   ar ea  o f  i n t er es t       T ab l 2  s h o w s  t h e el ect r i cal   p a r a m e te r s  o f  t h e   m a te r ia ls   u s e d  in  th i s  s t u d y  [ 1 3 ] .  Fi g ur e   1 3  s ho w s  t he   3 D  vi e w  o f  t he   f i r s t  s c e na r i o ,  w h i c ha s  b e e n s t ud i e d   w i t ho ut   us i n g r i ng  F S S   w a l l p a p e r .  T he  r e c e i ve d  s i gna l   p o w er  at  each  R x  l o cat i o n  i s  s h o w n  i n  F i g ur e   14.       T a b le   2 .  E le c tr ic a P ar am et er s  U s ed   fo r   B u ild in g  A r e a   o I n t er es t   [1 3 ]   C om p o n e nt   Ma t e r i a l   C on d u c t i v i t y ,   σ   ( S / m )   R e l a tiv e  E l e c tr ic a l  P e r m it t iv i ty ,   ε r   T h i c k n e s s   ( m )   W a l l s   B r i ck   0 . 0 0 1   4 . 4 4   0 . 1 5 0   C e i l i n g  a n d  F l oo r   C o n c r et e   0 . 0 1 5   1 5   0 .3   W i n d o w s   G la s s   0   2 . 4   0 . 0 0 3   D oo r s   W o o d   0   5   0 . 0 3           F i gu r e  13.  3D  v i e w   f or  t h e  S I S O  s c e n a r i w i t h out   r i n g  FSS  w a l l p a p e r           F i g u r e 1 4 .   T h e r ecei v ed  s i g n al  p o w er   f o r  each  R x  l o cat i o n  n u m b er  f o r  t h e S I S O  s y s t e m   s c en ar i o   w i t h o u t  r i n g   FSS w a l l p a p e r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SSN :   20 88 - 8708   In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g ,   V o l.   8 , N o 5 O c t obe r  20 18   :   300 3   -   3020   3010   R i n g  F S S   w al l p ap er  h as  b ee n  at t ach ed  a  d i s t a n ce  o f   λ /1 0   a w a y   f r o m   t h e   w a ll  to   e li m i n a te   t h e   co u p l i n g  e f f ect  i s s u es  [ 7 ] ,  a s   s ho w n  i F i g ur e   1 5 .  I n  t h i s  c as e,  r i n g   F S S   w al l p ap er  r ep r es en t s  a n  e x cel l e n t   r ef l ect o r  f o r  t h e 6 0  G H z b an d ,   w h i ch   w i l l  i n cr eas e t h m u l t i p at h  p r o p ag at i o n  i n  t h e ar ea o f  i n t er es t  as   w e ll a s   i n cr eas t h s t r e n g t h   o f   t h r ecei v ed   s i g n al   p o w er .   F i g ur e   1 6   s h o w s   t h r ecei v ed  s i g n a l   p o w er   at   each   R x   lo c a tio n .           F i gu r e  15.  3D  v i e w   f or  t h e  S I S O  s c e n a r i w i t h  r i ng   FSS w a l l p a p e r       F i g u r e 1 6 .   T h e r ecei v ed  s i g n al  p o w er   f o r  each  R x   L o c a tio n   N u m b er   f o r  t h e S I S O  s cen ar i o   w i t h  F S S       Fi g ur e   1 7  s h o w s  t h e d i f f er en c e o f  t h e r ecei v ed  s i g n al  p o w er  b et w een  S I S O  s y s t e m  cas e s  b ef o r e an d   af t er  at t ac h i n g  r i n g  F S S   w al l p ap er  at  each  R x  l o cat i o n  n u m b er .  F i g ur e   1 7  s h o w s  t h at  t h r ecei v ed  p o w er  h a s   b een  en h a n ced  af t er  at t ach i n g  r i n g  F S S   w al l p ap er  b y  an  a v er ag e o f  6 . 4 5  d B .           F i g u r e 1 7 .   T h e g ai n  e n h a n ce m en t  f o r  each   R x  l o cat i o n  n u m b er  f o r  S I S O  s y s t e m   s cen ar i o   w ith / w i th o u t r in g   FSS w a l l p a p e r       3. 3. 2.       M IM O   S y s t e m  S cen a ri o   3. 3. 2. 1.  M I M O  w i t h ou t   R i ng   F SS  W a l l pa pe r   T h i s  s cen ar i o  co n t ai n s  a 2 x 2   M I M O  co m m u n i cat i o n  s y s t e m   f o r  T x  an d  t h e R x s .  B o t h   t h e T x  an d   R x’ s   a r e   a s s um e t c on s i s t   of   t w o   a n t e nn a   e l e m e n t s   s pa c e by   λ / [ 1 4 ] .  T x  h a s  a  d ir e c tio n a l a n te n n a   w i th  1 0   dB m  i n p u t  po w e r ,  14 d B i  g a i n ,  2.   he i gh t ,  a nd  9 0 o   H P B W .  R x s  a r e  d is tr ib u te d  in  2 0  lo c a tio n s .  E a c h  R x   h a s  a n  o m n id ir e c tio n a l a n te n n a   w it h  a  s e n s it iv i t y  o f   - 64 dB m  a n d a  1.   he i g ht .   a.   W i t h ou t   h um a n  bodi e s   T he  2 D   a nd  3 D  vi e w s  o f  t hi s  s c e na r i o  a r e  s ho w n i n F i g ur e s   18 a n d 19.  F i g ur e   2 0  s h o w s   t h e r ecei v ed   s i g n al  p o w er  at  eac h  R x  l o cat i o n .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       E nhanc i ng t he   C a pac i t y  of  t he  I ndo or  60 G H z  B an d V i a M o di f i e d I nd oor ... ( N i d a l  Q a s e m )   3011       F i g u r e 1 8 .  2 D  v i e w   f o r  t h e M I M O  s cen ar i o       F i g u r e 1 9 .  3 D  v i e w   f o r  t h e M I M O  s cen ar i o   w i t h o u t   r i n g  F S S   w a l l pa pe r  a n d hum a n  bodi es           F i g u r e 2 0 .   T h e r ecei v ed  s i g n al  p o w er   f o r  each  R x  l o cat i o n  n u m b er  f o r  t h e M I M O  s y s t e m  s cen ar i o   w i t h o u t   r i ng F S S   w a l l pa pe r  a n d hum a n  bodi e s       b.   W i t h  hum a n  bodi e s   T he  2 D  a nd  3 D  vi e w s  o f  t hi s  s c e na r i o  a r e  s ho w i F i g ur e s  21 a n d 22.  T h e  bl a c k   p a r a lle le p ip e d s   r e pr e s e n t  t h e  num be r  of   h um a n  bodi e s  s i t u a t e d r a n do m l y  i n  t h e  r oo m .  T h e  h um a n  bod y  h a s  be e n   m ode l l e in s id e   W ir e le s s  I n S ite  b a s e d  o n  t h e  c o m p le x  p e r m it tiv it y   v a lu e s  o f  its  b a s ic  c o m p o n e n t s ; s k i n ,  f a t,   m u s c le ,   an d  p u r w at er ,  at  a 6 0  G H z r es o n an t  f r eq u e n c y ,  a s  s u m m a r i zed  i n  T a b l e 3  [ 2 ] .   T h e r ece i v ed  p o w er  at  each   R x   lo c a tio n  is  s h o w n   i n  F i g ur e   23.   F i g u r e 2 4  s h o w s  t h at   t h e  av er ag e  r ecei v ed  p o w er  i n  t h e  MI M O  s y s t e m  h a s   b een  at t en u at ed  b y  3  d B ,  o n  a v er ag e,   w i t h  t h e p r es en ce o f   h u m a n  b o d i es .       T a b le   3 .  C o m p le x  P e r m i ttiv it y   a 60 G H z  of  H um a n  B ody   C om po n e n t s   H u m a n  T i s s u e s     S k in   7 . 9 8 1 0 . 9 1   Fa t   2 . 5 1 0 . 8 4   M u sc l e   1 2 . 8 5 1 5 . 7 4   P u re  W a t e r (2 0 o   C)   1 1 . 9 1 9 . 5           F i g ur e  2 1 .  2 D  vi e w   f o r  t he  M I M O  s c e na r i o   w i t ho ut  r i ng  F S S ,  b u t   w i t h  a  num be r   of  hum a n   bodi e s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SSN :   20 88 - 8708   In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g ,   V o l.   8 , N o 5 O c t obe r  20 18   :   300 3   -   3020   3012       F i g u r e 2 2 .  3 D  v i e w   f o r  t h e M I M O  s cen ar i o   w i t h o u t   r i n g  F S S   w a l l pa pe r ,  bu t   w i t h  a  n um be r  of  hum a n   bodi e s       F i g u r e 2 3 .   T h e r ecei v ed  s i g n al  p o w er   f o r  each  R x   l o cat i o n  n u m b er  f o r  t h e M I M O  s y s t e m   s cen ar i o   w it h o u t r in g  F S S   w a llp a p e r ,  b u w it h   a  num be r  of   h um a n  bodi e s           F i g u r e 2 4 .   T h e r ecei v ed  s i g n al  p o w er   f o r  each  R x  l o cat i o n  n u m b er  f o r  t h e M I M O  s y s t e m  s cen ar i o   w i t h o u t   r i ng F S S   w a l l p a p e r ,  b ut   w i t h  a  n um be r  of  hum a n  bodi e s       3. 3. 3.  M I M O  w i t h   R i ng   F SS  W a l l pa pe r   a.      W i t h ou t  hum a n  bodi e s   T h e s a m e s ce n ar i o  u s ed  i n  S ect i o n   3 .3 .2 .1   i s  r ep eat ed   b y   at t ach i n g  r i n g  F S S   w al l p ap er   λ / 10 a w a f r o m  t he   w a l l ,  a s  s ho w i n F i g ur e   25.  F i g ur e   2 6  s h o w s  t h e r ecei v ed  s i g n al  p o w er  at  each  R x  l o cat i o n .           F i g u r e 2 5 .  3 D  v i e w   f o r  t h e M I M O  s cen ar i o   w i t h  r i n g   FSS   w a l l pa pe r ,  bu t   w i t h ou t   h um a n  bodi e s       F i g u r e 2 6 .   T h e r ecei v ed  s i g n al  p o w er   f o r  each  R x   l o cat i o n  n u m b er  f o r  t h e M I M O  s y s t e m   s cen ar i o   w i t h r i ng F S S   w a l l p a p e r ,  b ut   w i t ho ut  h u m a bodi e s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.