[論文レビュー] Millimeter Wave and Sub-Terahertz Spatial Statistical Channel Model for an Indoor Office Building

Shihao Ju, Yunchou Xing+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 45被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、屋内オフィス環境におけるミリ波および準テラヘルツ周波数（28 GHzおよび140 GHz）の3次元空間的統計的チャネルモデルを、広範な測定に基づいて提案する。時間クラスタをポアソン分布でモデル化し、クラスタ内におけるサブパスを複合指数分布でモデル化することで、150 GHzまでにわたるオムニディレクショナル、指向性、MIMOチャネルのNYUSIMベースの正確なシミュレーションが可能となり、測定されたRMS遅延スプレッドおよび角度拡散統計と強い一致を示す。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) and sub-Terahertz (THz) frequencies are expected to play a vital role in 6G wireless systems and beyond due to the vast available bandwidth of many tens of GHz. This paper presents an indoor 3-D spatial statistical channel model for mmWave and sub-THz frequencies based on extensive radio propagation measurements at 28 and 140 GHz conducted in an indoor office environment from 2014 to 2020. Omnidirectional and directional path loss models and channel statistics such as the number of time clusters, cluster delays, and cluster powers were derived from over 15,000 measured power delay profiles. The resulting channel statistics show that the number of time clusters follows a Poisson distribution and the number of subpaths within each cluster follows a composite exponential distribution for both LOS and NLOS environments at 28 and 140 GHz. This paper proposes a unified indoor statistical channel model for mmWave and sub-Terahertz frequencies following the mathematical framework of the previous outdoor NYUSIM channel models. A corresponding indoor channel simulator is developed, which can recreate 3-D omnidirectional, directional, and multiple input multiple output (MIMO) channels for arbitrary mmWave and sub-THz carrier frequency up to 150 GHz, signal bandwidth, and antenna beamwidth. The presented statistical channel model and simulator will guide future air-interface, beamforming, and transceiver designs for 6G and beyond.

研究の動機と目的

• 屋内オフィス環境におけるミリ波および準テラヘルツ周波数の統一された統計的チャネルモデルを構築し、6Gシステム設計を支援すること。
• 広範な28 GHzおよび140 GHzの測定から、パスロス、時間クラスタ、サブパスの分布を特定すること。
• NYUSIMフレームワークを用いて、28–150 GHzの範囲でオムニディレクショナル、指向性、MIMOチャネルの正確なシミュレーションを可能とすること。
• 測定されたRMS遅延スプレッドおよび角度拡散統計と比較して、モデルの妥当性を検証すること。
• ミリ波および準テラヘルツ帯域におけるLOSおよびNLOS状態の実測統計と分布フィッティングを提供すること。

提案手法

• 屋内オフィス環境で28 GHzおよび140 GHzにおいて、15,000件を超えるパワー遅延プロファイル（PDP）測定を実施した。
• 自由空間損失と距離依存パスロス指数を考慮した、オムニディレクショナルおよび指向性パスロスモデルを導出。
• 時間クラスタ数をポアソン分布でモデル化し、各クラスタ内のサブパス数を複合指数分布でモデル化。
• 測定統計を用いてNYUSIM 3.0屋内チャネルシミュレータをキャリブレーションし、合成PDPおよびAPSサンプルを生成。
• シミュレートされた二次統計（RMS遅延スプレッドおよび角度拡散）を、LOSおよびNLOSシナリオの両方で測定値と比較して検証。
• 28 GHzおよび140 GHzのパスロス、クラスタ数、サブパス数、遅延スプレッドを含む、実測統計をまとめたパラメータ表（表VIおよび表VII）を提供。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 28 GHzおよび140 GHzにおけるLOSおよびNLOS状態で、時間クラスタおよびサブパスの分布はどのように変化するか？
• RQ2 屋内オフィス環境における28 GHzおよび140 GHzのパスロス挙動はいかにか？特に最初の1メートル分の自由空間損失を除いた場合に注目。
• RQ3 統一された統計的チャネルモデルは、ミリ波および準テラヘルツ周波数の屋内シナリオを正確に表現できるか？
• RQ4 NYUSIMシミュレータは、測定されたRMS遅延スプレッドおよび角度拡散統計をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 28 GHzと140 GHzの間で、周波数が上昇するに従い、観測されたサブパス数はどのように変化するか？

主な発見

• 28 GHzおよび140 GHzの両周波数帯で、LOSおよびNLOS環境において時間クラスタ数はポアソン分布に従う。
• 両周波数帯および伝搬条件の両方において、各クラスタ内のサブパス数は複合指数分布に従う。
• 140 GHzでは、28 GHzと比較して観測されたサブパスの総数が顕著に少ないことから、高いパスロスおよび低い多径効果の豊かさが示唆される。
• 最初の1メートル分の自由空間損失を除いた場合、28 GHzおよび140 GHzのNLOSパスロス指数は類似しており、同様のパスロススケーリングが得られる。
• NYUSIM 3.0から得られたシミュレートされたRMS遅延スプレッドおよび角度拡散値は、両方のLOSおよびNLOSシナリオで測定統計と強い一致を示す。
• 統一された統計的モデルにより、150 GHzまでの任意のミリ波および準テラヘルツ周波数で、オムニディレクショナル、指向性、MIMOチャネルの正確な生成が可能となる。