[論文レビュー] Channel Measurement and Path-Loss Characterization for Low-Terahertz Indoor Scenarios

Jia He, Yi Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、140 GHzおよび220 GHzにおける屋内環境での広帯域チャネル測定を提示し、大規模 fading を特徴付けるために単周波数および多周波数パスロスモデルを構築した。ABGモデルはCIFモデルを上回る性能を示し、コherentビーム結合により非視線（NLoS）状況下でパスロス指数が2.59から1.36に低下した。

ABSTRACT

TeraHertz (THz) communications are envisioned as a promising technology, owing to its unprecedented multi-GHz bandwidth. In this paper, wideband channel measurement campaigns at 140 GHz and 220 GHz are conducted in indoor scenarios including a meeting room and an office room. Directional antennas are utilized and rotated for resolving the multi-path components (MPCs) in the angular domain. Comparable path loss values are achieved in the 140 and 220 GHz bands. To investigate the large-scale fading characteristics for indoor THz communications, single-band close-in path loss models are developed. To further analyze the dependency on the frequency, two multi-band path loss models are analyzed, i.e., alpha-beta-gamma (ABG) and multi-frequency CI model with a frequency-weighted path loss exponent (CIF), between which the ABG model demonstrates a better fit with the measured data. Moreover, a coherent beam combination that constructively sums the signal amplitudes from various arrival directions can significantly reduce the path loss, in contrast with a non-coherent beam combination.

研究の動機と目的

• 140 GHzおよび220 GHzにおける低太赫ツール屋内チャネルのマクロスケールフェーディングを特徴付けること。
• 実測データに基づいた単帯域および多帯域パスロスモデルの開発。
• 非視線条件におけるビーム結合技術のパスロスへの影響を評価すること。
• パスロスの周波数依存性を分析し、波ガイド伝搬などの環境的要因を同定すること。

提案手法

• 140 GHz（13 GHz帯域）および220 GHz（8 GHz帯域）でベクトルネットワークアナライザを用いて広帯域チャネルサウンディングを実施した。
• 制御された角度スキャン（10°ステップ）を実施した指向性ホーンアンテナを用い、水平および垂直方向の multipath 成分を解像した。
• ハードウェアに起因する歪みおよびパスロスバイアスを除去するため、測定システムをキャリブレーションした。
• スキャン角度にわたる平均化されたチャネル伝送関数（CTF）を用いて、全方向および最適指向パスロスモデルを導出した。
• 2つの多周波数パスロスモデル（alpha-beta-gamma（ABG）モデルと多周波数近接（CIF）モデル）を評価した。CIFモデルは周波数加重指数を用いた。
• コherentおよび非coherentビーム結合を比較し、複数の方向からの信号振幅または電力を加算することでパスロスを低減した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 会議室、オフィスエリア、通路、非視線状況下における屋内環境で、140 GHzと220 GHzのパスロス特性にどのような差が生じるか？
• RQ2 低太赫ツール屋内チャネルにおいて、測定データに最も適合する多周波数パスロスモデルはABGモデルかCIFモデルか？
• RQ3 非視線状況下で、コherentビーム結合は非coherentビーム結合に比べてパスロスをどの程度低減するか？
• RQ4 波ガイド効果や壁面反射などの環境要因がパスロス指数に与える影響は何か？

主な発見

• 通路状況下でのパスロス指数（PLE）は最低であった（140 GHzで1.86）、これは波ガイド的伝搬効果に起因する。
• 220 GHzでのPLEは140 GHzよりも高かったことから、屋内環境におけるパスロスの正の周波数依存性が確認された。
• ABGモデルは測定データへの適合が優れており、決定係数（R²）は0.80～0.91の範囲にあり、CIFモデル（R²：0.52～0.89）を上回った。
• コherentビーム結合により、140 GHzの非視線状況下で5つの強度上位ビームを統合した際、PLEが2.59から1.36に低下した。
• 非coherentビーム結合では5本のビームを統合した場合、PLEが2.01に上昇し、信号統合効率が低いことが示された。
• コherent結合では、統合ビーム数が増えるにつれてシャドウフェイディング標準偏差が低下し、1本（N=1）のとき5.72 dBから5本（N=5）のとき3.10 dBに低下した。