[論文レビュー] 28 GHz mmWave Channel Measurements: A Comparison of Horn and Phased Array Antennas and Coverage Enhancement Using Passive and Active Repeaters

Özgür Özdemir, Fatih Erden+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 15被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、28 GHz mmWaveチャネルサウンダーを用いて、方向性ビームフォーミングのためのホーンアンテナとフェーズドアレイアンテナの比較を行い、Metawave社のECHOパッシブリフレクタおよびTURBOアクティブリピーターを用いたカバレッジ向上の評価を実施している。ECHOは屋内環境でリフレクタ経路電力を約15 dB向上させ、NLOS状況下ではTURBOと組み合わせることで最大40 dBの利得を達成し、mmWaveリンクの信頼性と範囲を顕著に向上させた。

ABSTRACT

Propagation channel characteristics are substantially different in sub-6 GHz and millimeter-wave (mmWave) bands. A typical mmWave link experiences more than an order-of-magnitude larger path loss and is more susceptible to blockages than a traditional sub-6 GHz link. Therefore, extensive measurement campaigns with efficient channel sounders are needed for a complete understanding of the mmWave propagation channel characteristics. In addition, solutions should be sought to overcome the outage problems associated with the mmWave bands and to achieve acceptable communication performance. In this paper, our 28 GHz channel sounder is introduced that can be used with horn antennas as well as phased array antennas. The two antenna types are then compared in terms of speed they switch from one direction to another and extracted multipath component (MPC) properties, such as path gain. We then propose the use of passive reflectors and an active repeater for coverage enhancement by improving the received signal strength. In particular, ECHO reflector and TURBO repeater are introduced, and measurement results using them are presented.

研究の動機と目的

• 方向性アンテナを用いた28 GHz mmWave伝搬特性の特徴付けと、パワー角遅延プロファイル（PADP）の抽出。
• 機械的ビームスイッチング（ホーンアンテナ）と電子的ビームスイッチング（フェーズドアレイ）の比較を通じて、ビームスイッチング速度およびマルチパス成分（MPC）特性の評価。
• 都市部および屋内環境におけるmmWaveのカバレッジホールや遮断問題への解決策として、パッシブリフレクタおよびアクティブリピーターの評価。
• ECHO（Metawave社のパッシブリフレクタ）およびTURBO（アクティブリピーター）の性能向上を実証し、mmWave信号の範囲および信頼性の延長を達成。

提案手法

• 28 GHzでチャネルサウンディングにZadoff-Chu（ZC）シーケンスを用いたNIベースのmmWaveチャネルサウンダーを展開。
• 機械的ビームスイッチングにホーンアンテナ、電子的ビームスイッチングにフェーズドアレイアンテナを用い、両者をmmWaveラジオヘッドに接続。
• パワー角遅延プロファイル（PADP）を測定し、パスゲインおよびマルチパス成分（MPC）の角度分布を抽出。
• ECHOパッシブリフレクタの評価として、屋内および屋外環境におけるリフレクタ経路電力および総受信電力の測定を実施。
• NLOS状況下の通路環境にTURBOアクティブリピーターを設置し、受信機とTURBO間の距離を変化させながら、TURBO有効時と無効時の総受信電力を測定。
• ルビジウムクロックを用いて送信機と受信機を同期化し、30 mを超える基準分離を実現するダブルクロック構成を採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 28 GHzにおいて、ホーンアンテナとフェーズドアレイアンテナのビームスイッチング速度およびマルチパス成分（MPC）抽出の正確性はどのように比較されるか？
• RQ2 ECHOのようなパッシブリフレクタは、屋内および屋外のmmWave環境で受信電力にどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ3 TURBOアクティブリピーターは、NLOS（視線遮断）状況下のmmWave環境で信号カバレッジおよび受信電力にどのように寄与するか？
• RQ4 ECHOと標準のアルミリフレクタを比較した場合、環境の反射が総受信電力に与える影響は何か？

主な発見

• 最適な屋内測定点（c₅）において、ECHOパッシブリフレクタはアルミリフレクタと比較してリフレクタ経路電力を約15 dB向上させた。
• 屋外環境では、競合するマルチパス成分が少ないため、ECHOはアルミリフレクタと比較して顕著に高い総電力およびリフレクタ電力を達成した。
• TURBOアクティブリピーターは、1 mのRX-TURBO距離で最大39.82 dBの受信電力利得を達成し、NLOS状況下でのパスロス低減に寄与した。
• 8.5 mのRX-TURBO距離でも、依然として18.86 dBの利得を示し、長距離カバレッジ延長の有効性を実証した。
• 屋内環境ではマルチパス反射が総受信電力を支配的としていたため、リフレクタ経路電力が強くても相対的な改善は限定的であった。
• フェーズドアレイを用いたビームフォーミングにより、機械的ホーンアンテナよりも高速なビームスイッチングが可能となり、リアルタイムでのmmWaveチャネルトラッキングを支援した。