[論文レビュー] 140 GHz Urban Microcell Propagation Measurements for Spatial Consistency Modeling

Shihao Ju, Theodore S. Rappaport|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 24被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、142 GHz帯の屋外都市マイクロセル伝搬測定を102 mの長方形ルートに沿って実施し、太赫ルツ（sub-THz）チャネルにおける空間的一致性を特徴づける。シャドウフェイディング、遅延スプレッド、および角度スプレッドの空間自己相関解析により、相関距離はそれぞれ3.8 m（シャドウフェイディング）、11.8 m（遅延スプレッド）、12.0 m（角度スプレッド）であることが判明し、100 GHz未満帯域における3GPPモデルと比較して、142 GHz帯におけるシャドウフェイディングの空間相関距離が顕著に短いことが示された。

ABSTRACT

Sub-Terahertz frequencies (frequencies above 100 GHz) have the potential to satisfy the unprecedented demand on data rate on the order of hundreds of Gbps for sixth-generation (6G) wireless communications and beyond. Accurate beam tracking and rapid beam selection are increasingly important since antenna arrays with more elements generate narrower beams to compensate for additional path loss within the first meter of propagation distance at sub-THz frequencies. Realistic channel models for above 100 GHz are needed, and should include spatial consistency to model the spatial and temporal channel evolution along the user trajectory. This paper introduces recent outdoor urban microcell (UMi) propagation measurements at 142 GHz along a 39 m $ imes$ 12 m rectangular route (102 m long), where each consecutive and adjacent receiver location is 3 m apart from each other. The measured power delay profiles and angular power spectrum at each receiver location are used to study spatial autocorrelation properties of various channel parameters such as shadow fading, delay spread, and angular spread along the track. Compared to the correlation distances reported in the 3GPP TR 38.901 for frequencies below 100 GHz, the measured correlation distance of shadow fading at 142 GHz (3.8 m) is much shorter than the 10-13 m as specified in 3GPP; the measured correlation distances of delay spread and angular spread at 142 GHz (both 12 m) are comparable to the 7-10 m as specified in 3GPP. This result may guide the development of a statistical spatially consistent channel model for frequencies above 100 GHz in the UMi street canyon environment.

研究の動機と目的

• 6G無線システムを想定した142 GHz帯における都市マイクロセル環境下での主要チャネルパラメータの空間的一致性を調査すること。
• 102 mの長方形ルートに沿ってシャドウフェイディング、遅延スプレッド、および角度スプレッドの空間自己相関を測定・分析すること。
• 太赫ルツ帯における大規模パラメータの相関距離を定量的に評価し、正確な統計的チャネルモデリングに資すること。
• 測定された相関距離を100 GHz未満周波数帯における3GPP TR 38.901で規定された値と比較すること。
• 6Gシステムにおけるビームトラッキングおよびビームフォーミングを支援する空間的一致性を持つチャネルモデルの開発を促進すること。

提案手法

• 4 m（送信）および1.5 m（受信）の高さに回転可能で高利得のホーンアンテナを用いて、ニューヨーク・ユニバーシティのコートヤードで屋外142 GHz帯の伝搬測定を実施した。
• 39 m × 12 mの長方形ルート（全長102 m）に沿って34の受信位置を配置し、隣接する位置間の間隔は3 mとした。
• 各受信位置で電力遅延プロファイルおよび角度ごとの電力スペクトルを測定し、シャドウフェイディング、RMS遅延スプレッド、および角度スプレッドといった大規模パラメータを抽出した。
• 実測されたSAF（空間自己相関関数）に適合させるために、指数関数的減衰正弦波モデルを用いてSAF解析を実施した。
• 指数減衰成分のパラメータ（D1およびD2）から相関距離を計算し、式：相関距離 = D2 を用いた。
• 視線（LOS）および非視線（NLOS）伝搬状態を区別し、視線と非視線環境におけるパラメータのばらつきを評価した。

Figure 1 : 142 GHz outdoor local area measurement locations.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 都市マイクロセルストリートキャニオン環境下における142 GHz帯のシャドウフェイディングの空間相関距離はどの程度か？
• RQ2 142 GHz帯における遅延スプレッドおよび角度スプレッドの空間相関距離は、100 GHz未満周波数帯の3GPP TR 38.901で規定された値と比較してどのように異なるか？
• RQ3 142 GHz帯における視線（LOS）および非視線（NLOS）伝搬状態の両方で、チャネルパラメータの空間自己相関はどのように変化するか？
• RQ4 環境の対称性が、空間自己相関関数に観察される振動的挙動にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 指数的減衰正弦波関数は、太赫ルツ周波数帯における大規模チャネルパラメータの空間相関を正確にモデル化できるか？

主な発見

• 142 GHz帯におけるシャドウフェイディングの測定された空間相関距離は3.8 mであり、100 GHz未満帯域の3GPP TR 38.901で規定された10–13 mの範囲と比較して顕著に短い。
• 142 GHz帯における遅延スプレッドの相関距離は11.8 mであり、100 GHz未満帯域の3GPPで規定された7–10 mの範囲と同等の大きさである。
• 142 GHz帯における角度スプレッドの相関距離は12.0 mであり、100 GHz未満帯域の3GPP TR 38.901で報告された7–10 mの範囲と同程度の大きさである。
• NLOS受信位置では、遅延スプレッド（標準偏差23.9 ns）および角度スプレッド（標準偏差0.32 radian）のばらつきが、LOS位置（13.3 nsおよび0.22 radian）よりも顕著に高かった。
• 指数的減衰正弦波関数は、すべての3つのパラメータの空間自己相関関数に対して良好な適合を示し、環境の対称性に起因する振動的空間相関パターンが存在する可能性を示唆した。
• 本結果は、6Gシステムにおける太赫ルツ周波数帯の空間的一致性モデルが、現在の3GPPモデルが想定しているよりも短いシャドウフェイディングの相関距離を考慮する必要があることを示している。

Figure 2 : Omnidirectional PDPs with absolute time delays on the links from TX1 to RX1-RX34.