[論文レビュー] Indoor Wireless Channel Properties at Millimeter Wave and Sub-Terahertz Frequencies

Yunchou Xing, Ojas Kanhere+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 24被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、28、73、および140 GHzで、狭 beam ホーンアンテナを備えたスライディング相関チャネルサウンダーを用いて、広帯域の屋内チャネル測定を実施し、反射、散乱、遮断損失、経路損失を特徴付けた。主な発見は、反射損失が周波数および入射角の増加に伴い減少すること、ガラス繊維壁材（ドライウォール）がバックスキャッタが無視できるほど（ピーク電力より20 dB以上低い）反射面として機能すること、周波数間で経路損失指数が類似していることから、大規模な伝搬特性が140 GHzまで一貫していることが示されたが、大気による減衰が増加している。

ABSTRACT

This paper provides indoor reflection, scattering, transmission, and large-scale path loss measurements and models, which describe the main propagation mechanisms at millimeter wave and Terahertz frequencies. Channel properties for common building materials (drywall and clear glass) are carefully studied at 28, 73, and 140 GHz using a wideband sliding correlation based channel sounder system with rotatable narrow-beam horn antennas. Reflection coefficient is shown to linearly increase as the incident angle increases, and lower reflection loss (e.g., stronger reflections) are observed as frequencies increase for a given incident angle. Although backscatter from drywall is present at 28, 73, and 140 GHz, smooth surfaces (like drywall) are shown to be modeled as a simple reflected surface, since the scattered power is 20 dB or more below the reflected power over the measured range of frequency and angles. Partition loss tends to increase with frequency, but the amount of loss is material dependent. Both clear glass and drywall are shown to induce a depolarizing effect, which becomes more prominent as frequency increases. Indoor propagation measurements and large-scale indoor path loss models at 140 GHz are provided, revealing similar path loss exponent and shadow fading as observed at 28 and 73 GHz. The measurements and models in this paper can be used for future wireless system design and other applications within buildings for frequencies above 100 GHz.

研究の動機と目的

• 次世代無線システム向けに、ミリ波およびサブテラヘルツ帯域（28–140 GHz）における屋内伝搬メカニズムを特徴付けること。
• ドライウォールや透明ガラスなどの一般的な建材の反射、散乱、透過特性を測定およびモデル化すること。
• 複数の周波数および偏波状態において、屋内環境における遮断損失および偏波変換効果を定量すること。
• 将来のシステム設計を支援するため、140 GHzにおけるLoSおよびNLoS状態の広域的経路損失モデルを構築すること。

提案手法

• 28、73、および140 GHzでチャネルインパulse応答を測定するために、回転可能で狭ビームのホーンアンテナを備えた広帯域スライディング相関型チャネルサウンダーを用いた。
• 測定データから最小平均二乗誤差（MMSE）推定を用いて、反射および散乱係数を推定した。
• 表面の電気的特性に基づいて散乱電力を予測するために、二重ローブ二重散乱（DS）モデルを適用した。
• 偏波変換効果を評価するために、4つの偏波設定（V-V、V-H、H-V、H-H）を用いて遮断損失を測定した。
• 実際のオフィス環境で142 GHzでの屋内伝搬測定を実施し、送信／受信アンテナの位置および向きを制御した。
• Closest-Interference（CI）モデルを用いて、広域的経路損失モデルを導出し、LoSおよびNLoSリンクの経路損失指数（PLE）およびシャドウフェイディング（σ）を適合させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ波およびサブテラヘルツ帯域において、ドライウォールの反射係数は周波数および入射角にどのように依存するか？
• RQ2 28、73、および140 GHzにおいて、ドライウォールからのバックスキャッタは、主な反射信号に比べてどの程度顕著か？
• RQ3 透明ガラスおよびドライウォールの遮断損失および偏波変換効果は、周波数および偏波設定にどのように依存するか？
• RQ4 140 GHzにおけるLoSおよびNLoS屋内リンクの広域的経路損失特性（経路損失指数およびシャドウフェイディング）は何か？
• RQ5 140 GHzにおける伝搬特性は、28および73 GHzにおけるものと比較して、経路損失および信号劣化の観点でどのように異なるか？

主な発見

• ドライウォールにおける反射損失は、周波数および入射角の増加に伴い減少し、140 GHzでは0.4 dBから9.8 dBの範囲で変動し、周波数が高いほど強い反射が観測された。
• ドライウォールからのバックスキャッタは、ピーク反射電力より20 dB以上低いことが確認され、チャネルモデリングにおいてドライウォールを単純な反射面として扱うことが妥当であることが裏付けられた。
• 二重ローブ二重散乱（DS）モデルは、既知の表面電気的パラメータを用いて散乱電力を正確に予測できた。
• ドライウォールおよび透明ガラスの遮断損失は偏波に依存し、クロス偏波設定では偏波変換効果により予想よりも損失が小さかった。
• LoSリンクの経路損失指数（PLE）は、28 GHzで1.7、73 GHzで1.6、142 GHzで2.0であり、142 GHzでわずかに高い経路損失が観測されたが、これは大気吸収によるものと推定された。
• シャドウフェイディングは周波数にかかわらず類似しており、NLoSの経路損失モデルではPLEおよびσの値が同等であったため、140 GHzまで一貫した大規模な伝搬行動が維持されていることが示された。