[論文レビュー] 3-D Statistical Indoor Channel Model for Millimeter-Wave and Sub-Terahertz Bands

Shihao Ju, Yunchou Xing+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、オフィス環境での広範な実測測定に基づき、mmWaveおよびsub-THz帯（28 GHzおよび140 GHz）向けの3次元統計的室内チャネルモデルを提案する。モデルは測定された電力遅延プロファイルおよび角度統計を用いて、現実的なチャネルインパulse応答を生成する。シミュレーション結果は、LOSおよびNLOSの両状況において、シミュレートされた平均二乗遅延スプレッドおよび角度スプレッドが測定値と強く一致していることを示している。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) and Terahertz (THz) will be used in the sixth-generation (6G) wireless systems, especially for indoor scenarios. This paper presents an indoor three-dimensional (3-D) statistical channel model for mmWave and sub-THz frequencies, which is developed from extensive channel propagation measurements conducted in an office building at 28 GHz and 140 GHz in 2014 and 2019. Over 15,000 power delay profiles (PDPs) were recorded to study channel statistics such as the number of time clusters, cluster delays, and cluster powers. All the parameters required in the channel generation procedure are derived from empirical measurement data for 28 GHz and 140 GHz line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) scenarios. The channel model is validated by showing that the simulated root mean square (RMS) delay spread and RMS angular spread yield good agreements with measured values. An indoor channel simulation software is built upon the popular NYUSIM outdoor channel simulator, which can generate realistic channel impulse response, PDP, and power angular spectrum.

研究の動機と目的

• 6Gシステム設計を支援するため、室内オフィス環境におけるmmWaveおよびsub-THz帯向けの包括的な3次元統計的チャネルモデルの開発を目的とする。
• 将来の無線システムの現実的なモデル化を可能にするために、140 GHz以上での実測、広帯域チャネル測定の不足を解消することを目的とする。
• 測定データを用いて、遅延スプレッドや角度スプレッドなどの時間的および空間的チャネル特性（例：遅延スプレッド、角度スプレッド）の正確なシミュレーションを可能とすることを目的とする。
• 将来の6GおよびTHz通信システム開発のための標準化された、測定に基づく基準モデルを提供することを目的とする。
• 平均二乗遅延スプレッドおよびグローバル角度スプレッドといった二次統計量の比較を通じて、モデルの妥当性を検証することを目的とする。

提案手法

• 65.5 m × 35 mのオフィスビル内において、2014年（28 GHz）および2019年（140 GHz）に広帯域チャネルサウンディングを実施し、15,000件を超える電力遅延プロファイル（PDP）を取得した。
• スライディング相関ベースのチャネルサウンダーを用い、方向性の高いホーンアンテナ（28 GHzでは15 dBi、30° HPBW、140 GHzでは27 dBi、8° HPBW）を用いて、空間的に分解能の高いPDPを測定した。
• LOSおよびNLOS状態の両方において、大規模路損および小規模統計的パラメータ（例：クラスタ数、クラスタ遅延、電力、角度スプレッド）を実測データから導出。
• 各クラスタの遅延、電力、角度パラメータを対数正規分布および正規分布を用いてモデル化したクラスタベースの統計的モデルを構築。
• NYUSIMシミュレータの拡張版にモデルを実装し、検証のための全方向PDPおよび電力角度スペクトル（PAS）を生成。
• 二次統計量（全方向平均二乗遅延スプレッドおよびグローバル平均二乗角度スプレッド）を用いて、シミュレートされた累積分布関数と測定値の累積分布関数を比較することで、モデルの妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 28 GHzおよび140 GHzの室内LOSおよびNLOS状況において、時間的および空間的チャネル特性（例：遅延スプレッド、角度スプレッド）はどのように変化するか？
• RQ2 実測データに基づく統計的3次元チャネルモデルは、平均二乗遅延スプレッドや角度スプレッドといった主要なチャネル統計量を正確に再現できるか？
• RQ3 mmWaveおよびsub-THz帯における室内オフィス環境のクラスタ遅延、電力、角度パラメータ（AOD/AOA）の統計的分布は何か？
• RQ4 異なる周波数帯および伝搬条件において、シミュレートされたチャネル性能は測定データの平均二乗遅延スプレッドおよびグローバル角度スプレッドとどの程度一致するか？
• RQ5 測定に基づく統計的モデルは、mmWaveおよびsub-THz周波数帯における将来の指向性およびMIMOチャネルモデリングの信頼性の高い基盤としてどの程度活用可能か？

主な発見

• 全方向平均二乗遅延スプレッドは、28 GHz LOSではシミュレート値13.9 ns、測定値17.9 nsで強く一致した。28 GHz NLOSでは、シミュレート値12.5 ns、測定値13.5 nsで同様に良好な一致を示した。
• 140 GHzでは、LOS状況でシミュレート値3.2 ns、測定値3.1 ns、NLOS状況でシミュレート値5.9 ns、測定値5.7 nsと、強い一致が確認された。
• AOAの全方向平均二乗角度スプレッドは、28 GHz LOS、28 GHz NLOS、140 GHz NLOSの各状況において、測定値と5°以内の一致を示した。
• 140 GHz LOS状況では、測定回数が限られていたため、実測分布が非対称であったが、中央値としてのシミュレート値と測定値の差は5°以内に収まった。
• 本モデルは、4つのシナリオ（28 GHz LOS、28 GHz NLOS、140 GHz LOS、140 GHz NLOS）すべてにおいて、遅延スプレッドおよび角度スプレッドの測定統計を正確に再現できた。
• 表IIに示す入力パラメータ（例：クラスタ数、電力減衰、遅延スプレッド、角度スプレッドの分散）が、現実的なチャネルインパulse応答および角度パワースペクトルを生成するのに十分であった。