[論文レビュー] Air-to-Ground Directional Channel Sounder With 64-antenna Dual-polarized Cylindrical Array

Jorge Gomez Ponce, Thomas Choi+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2021

UAV Applications and Optimization参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、地上局に64素子のデュアルポーラリゼーション円筒アレイを搭載し、ドローン搭載送信機を用いた新規な空中から地上（A2G）指向性 massive MIMOチャネルサウンダーを提案する。このシステムにより、都市環境における高分解能な角度および伝搬チャネル測定が可能となり、安定した位相および利得測定が高速サンプリングで達成された。直視線（LOS）状態においては、アンテナ対間で15–22 dBの相関を示し、RMS遅延スプレッドは約1.3 nsであり、今後のドローンベースの massive MIMO ネットワーク設計における有効性が裏付けられた。

ABSTRACT

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), popularly called drones, are an important part of future wireless communications, either as user equipment that needs communication with a ground station, or as base station in a 3D network. For both the analysis of the "useful" links, and for investigation of possible interference to other ground-based nodes, an understanding of the air-to-ground channel is required. Since ground-based nodes often are equipped with antenna arrays, the channel investigations need to account for it. This study presents a massive MIMO-based air-to-ground channel sounder we have recently developed in our lab, which can perform measurements for the aforementioned requirements. After outlining the principle and functionality of the sounder, we present sample measurements that demonstrate the capabilities, and give first insights into air-to-ground massive MIMO channels in an urban environment. Our results provide a platform for future investigations and possible enhancements of massive MIMO systems.

研究の動機と目的

• 都市環境における massive MIMO システム向けに、高精度でリアルタイムな空中から地上（A2G）チャネルサウンダーを開発すること。
• ドローンと地上の64素子デュアルポーラリゼーション円筒アレイとの間で、指向性チャネル特性を正確に測定すること。
• ドローンの運動（静止 vs. ホバリング）がチャネル測定の安定性および分散に与える影響を評価すること。
• 今後のドローン搭載3次元 massive MIMO ネットワークのための大規模測定およびシステム設計の基盤を提供すること。
• 都市部のA2G環境における、角度パワー分布、遅延スプレッド、相関行列といった主要な伝搬パラメータを特徴付けること。

提案手法

• サウンダーは、ドローン搭載送信機（DJI Matrice 600 Pro）と、水平（H）および垂直（V）ポーラリゼーションの両方で信号を同時に受信可能な地上の64素子デュアルポーラリゼーション円筒アレイを用いる。
• ベースバンド信号処理にはソフトウェア定義無線（USRP）を採用し、GPS補正時 clocks と専用コントローラ（Intel NUC）を用いて高精度な同期を実現する。
• システムは3.5 GHzの搬送周波数と20 MHzの帯域幅を採用し、マルチパス環境におけるシンボル間干渉を低減するため16タップのサイクリックプレフィックスを用いる。
• 後処理としてビームフォーミングとフーリエ解析を実施し、測定されたチャネルインパルス応答から角度パワー分布、遅延スプレッド、空間相関行列を推定する。
• 独自開発のリモート通信リンクにより、ドローンから地上局へのリアルタイムデータ送信が可能となり、動的測定キャンペーンを支援する。
• チャネルの相互性を活用し、ドローンから地上および地上からドローンへの両方向リンクに対して測定結果が有効であることを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 都市環境下におけるドローンの位置および姿勢に応じて、A2Gチャネルの角度パワー分布はどのように変化するか？
• RQ2 ホバリングと静止状態の違いが、測定されたチャネルパラメータの統計的安定性に与える影響は何か？
• RQ3 近隣の建物に由来する多重パス成分（MPCs）、例えばガラス窓からの反射が、直視線（LOS）状態におけるチャネル応答に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 A2Gチャネルの空間相関および遅延スプレッド特性は、標準モデルと比較してどのように異なるか。特に固有値スプレッドとコherency帯域幅の観点から検討する。
• RQ5 64素子デュアルポーラリゼーション円筒アレイは、高角度分解能を達成する上で、A2Gチャネルの指向性成分をどの程度正確に解像できるか？

主な発見

• 角度パワー分布はドローンの方向に強く集中しており、アンテナの配置および支持ポールに起因する近隣効果により、VポーラリゼーションのパワーはHポーラリゼーションよりも約12 dB高い。
• RMS遅延スプレッドは静止時で-78.52 dBs（平均）、ホバリング時で-79.44 dBs（平均）であり、線形スケールに換算すると約1.3 nsに相当し、直視線状態下で多重パススプレッドが小さいことが示された。
• 空間相関係数 γ₁₂ と γ₁₄ は静止時でそれぞれ15.52 dBおよび19.76 dB、ホバリング時で17.9 dBおよび22.32 dBであり、直視線状態下での強い相関を確認した。また、固有値スプレッド50 dBの悪条件の相関行列であることも示された。
• 空間相関行列 Rᵢ の固有値分布は約50 dBのダイナミックレンジを示し、直視線伝搬に一致する高い空間相関および低ランクであることを裏付けた。
• 軌道測定では、ドローンが南および西に移動するに従い、最初はOlin工学棟からの直接LOSおよび反射により、列12–8にピークパワーが観測されたが、その後列1–3および13–16へとパワーが移行した。
• 最終セグメントでは、直接LOSおよび窓からの反射により列16–9に強いパワーが観測され、アレイが高角度分解能で指向性成分を解像できることを確認した。