[論文レビュー] Impact of atmospheric impairments on mmWave based outdoor communication

P. Nagaraj|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 4被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、MATLABを用いたシミュレーションを用いて、降水、霧、大気吸収といった大気状態がミリ波（mmWave）屋外通信システムに与える影響を調査している。降雨強度や湿度が30 GHz以上で顕著に増加するパスロスを示しており、5G mmWaveネットワークの屋外展開における重要な障害要因を明らかにしている。

ABSTRACT

Substantial growth of demand for mobile data and rapidly increasing spread of personal communication devices such as smart phones and tablets is the major challenge faced by the mobile service providers in recent years. The allotted spectrum for the currently operating mobile communication systems have been saturated in the last few years by such a considerable rate that the future fifth generation network would not be able to operate without applying new frequencies. In accordance with the concept of 5G, millimeter wave frequency band will also be used along with the currently used frequency bands. In this particular spectrum however, a new and most significant attenuation factor due to precipitation and atmospheric absorption is introduced. In this paper the effects of precipitation, fog and atmospheric absorption on millimeter wave propagation are investigated using MATLAB.

研究の動機と目的

• 屋外環境におけるミリ波伝搬に及ぼす大気障害要因の影響を分析すること。
• ミリ波帯域における降水量、霧、大気吸収に起因するパスロスを定量化すること。
• 実際の天候条件下におけるミリ波システムの5Gネットワークへの実現可能性を評価すること。
• 屋外シナリオにおける堅牢な5Gネットワーク計画に役立つ、シミュレーションベースの知見を提供すること。

提案手法

• 24 GHzから100 GHzのミリ波帯域におけるパスロスのMATLABベースのシミュレーション。
• 酸素および水蒸気吸収を考慮したITU-R P.835-4 ITUモデルを用いた大気吸収のモデリング。
• さまざまな降雨強度（0–200 mm/h）を想定し、ITU-R P.838-3モデルを用いて降雨損失を組み込む。
• さまざまな視界（10–100 m）を想定し、ITU-R P.838-3モデルを用いて霧損失をシミュレート。
• 複数周波数にわたる大気成分によるパスロスの合算。
• 周波数および天候条件に応じたパスロスのトレンドを示す6つの図による結果の可視化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30 GHz以上のミリ波帯域において、降雨強度はパスロスにどのように影響するか？
• RQ2 ミリ波屋外リンクにおける霧の信号減衰への寄与度は何か？
• RQ3 酸素および水蒸気による大気吸収は、ミリ波周波数帯でどのように変化するか？
• RQ4 雨、霧、吸収の複合的影響が、屋外シナリオにおけるミリ波リンクバジェットにどの程度悪影響を及えるか？
• RQ5 シミュレーションベースのモデリングは、大気障害要因に最も脆弱な周波数帯を予測できるか？

主な発見

• 降雨強度が増加するにつれてパスロスが顕著に増加し、30 GHz以上の周波数帯で100 mm/hの降雨時には100 dBを超える。
• 視界10メートルの霧は、60 GHz周波数帯で最大20 dB/kmの追加損失を引き起こす。
• 酸素共鳴による強力な吸収により、60 GHzで大気吸収がピークに達し、最大15 dB/kmの損失を引き起こす。
• 雨、霧、吸収の複合的影響により、重度の降雨下で60 GHz帯で合計パスロスが120 dBを超える。
• 60–100 GHz帯は最も深刻に影響を受けるため、ビームフォーミングやリピーターを用いない限り、長距離屋外ミリ波リンクには不適切である。
• 24–30 GHz帯は相対的に低い減衰を示し、悪天候下でも屋外ミリ波展開に適している。