[論文レビュー] 3-D Statistical Channel Model for Millimeter-Wave Outdoor Mobile Broadband Communications

Mathew K. Samimi, Theodore S. Rappaport|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 19被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、ニューヨーク市でステアブルホーンアンテナを用いて実施した広帯域400 Mcps測定に基づき、28 GHzミリ波屋外非視線（NLOS）都市環境における最初の3次元統計的空間時間チャネルモデルを提案する。モデルは超過遅延プロファイルから絶対遅延を合成し、測定された電力方位スペクトルを用いて現実的な3次元インパルス応答を生成する。シミュレーションと測定の間でRMS遅延スプレッド（31–32 ns）および方位スプレッド（7°）の良好な一致が確認され、妥当性が検証された。

ABSTRACT

This paper presents an omnidirectional spatial and temporal 3-dimensional statistical channel model for 28 GHz dense urban non-line of sight environments. The channel model is developed from 28 GHz ultrawideband propagation measurements obtained with a 400 megachips per second broadband sliding correlator channel sounder and highly directional, steerable horn antennas in New York City. A 3GPP-like statistical channel model that is easy to implement in software or hardware is developed from measured power delay profiles and a synthesized method for providing absolute propagation delays recovered from 3-D ray-tracing, as well as measured angle of departure and angle of arrival power spectra. The extracted statistics are used to implement a MATLAB-based statistical simulator that generates 3-D millimeter-wave temporal and spatial channel coefficients that reproduce realistic impulse responses of measured urban channels. The methods and model presented here can be used for millimeter-wave system-wide simulations, and air interface design and capacity analyses.

研究の動機と目的

• 密集した都市部の非視線（NLOS）環境におけるミリ波（mmWave）システムの包括的3次元統計的空間チャネルモデル（SSCM）の不足を解消すること。
• 従来の2次元モデルの限界を克服し、仰角を含む測定された3次元送信方位角（AOD）および受信方位角（AOA）電力スペクトルを統合すること。
• システムレベルのシミュレーションに実装可能な、実用的で3GPPに類似したSSCMを構築すること。
• 5Gミリ波ネットワークにおけるビームフォーミングおよびビームコンビニングを含む、物理層およびMIMOシステム設計を正確に行えるようにすること。
• MATLABベースのシミュレータを用いて、主な統計的指標において実世界の測定結果と照合することで、モデルを検証すること。

提案手法

• ニューヨーク市で28 GHzで実施した400 Mcpsスライディング相関器チャネルサウンダーを用い、ステアブル24.5 dBiホーンアンテナを用いて4,000件以上の電力遅延プロファイル（PDP）を収集した。
• 初到着パス距離に基づいて超過遅延プロファイルをずらすことにより、絶対伝搬遅延を合成し、真の時間領域特徴付けを可能にした。
• 方向性測定から測定されたAODおよびAOA電力スペクトルを抽出し、仰角推定に3次元レイトラーシングに依存しないようにした。
• 離散的方位セグメント（1°解像度）とガウス型の方位電力分布を用いて、マルチパス成分を空間ローブに割り当てることで3次元SSCMを構築した。
• 測定統計を用いて空間ローブのパラメータを定義した：AOD方位スプレッドは約30°（N(30°,16°)）、AOA方位スプレッドは約32°（DLN(32°,18°)）、AOD仰角スプレッドは固定で10°とした。
• MATLABベースのシミュレータを用いて10,000件のチャネル実現を生成し、測定されたRMS遅延スプレッドおよび方位スプレッド分布を再現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接の送信機受信機同期がなくても、ミリ波広帯域測定における超過遅延プロファイルから絶対遅延をどのように回復できるか？
• RQ2 28 GHzにおける密集都市部NLOSミリ波環境における3次元AODおよびAOAの統計的特性は何か？
• RQ3 レイトラーシングを用いず、測定された電力方位スペクトルと合成された絶対遅延を用いて3次元統計的チャネルモデルを構築できるか？
• RQ4 シミュレートされた3次元SSCMは、RMS遅延スプレッドや方位スプレッドといった主要な測定統計をどの程度再現できるか？
• RQ5 このモデルは、ミリ波MIMOおよびビームフォーミング設計のためのシステムレベルシミュレーションをどの程度効果的に支援できるか？

主な発見

• 合成された3次元SSCMは、測定されたチャネル統計を良好に再現しており、シミュレーションにおける中央値RMS遅延スプレッドは31 ns、測定値は32 nsであった。
• シミュレーションと測定の両方で、方位および仰角のRMS方位スプレッドはともに7°で一致し、正確な空間モデリングが実現したことを確認した。
• 遅延スプレッドおよび方位スプレッドの累積分布関数（CDF）についても良好な一致が得られ、統計的整合性が検証された。
• レイトラーシングに依存せず、測定されたAOAおよびAODスペクトルを用いることで、仰角の正確な特徴付けが可能となり、従来モデルと比較して顕著な進歩を示した。
• モデルはシステム全体のシミュレーションを可能とし、物理層およびビームフォーミング設計のための任意の帯域幅およびアンテナパターンへの拡張も可能である。
• 3次元SSCMにより、現実的な3次元インパルス応答の生成が可能となり、5Gミリ波システムにおけるMIMO、ビームフォーミング、ビームコンビニングのシミュレーションに適している。