[論文レビュー] Millimeter Wave and Terahertz Urban Microcell Propagation Measurements and Models

Yunchou Xing, Theodore S. Rappaport|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 30被引用数 104

ひとこと要約

本稿は、28–142 GHzの周波数帯で都市マイクロセル環境における広範な屋外ミリ波およびテラヘルツ波伝搬測定を実施し、路損失、遅延スプレッド、および角度スプレッドを比較している。1 m自由空間路損失を基準にした場合、周波数にかかわらず非常に類似した路損失指数が得られ、これが、周波数が太赫ルツ帯に達するに従って基地局間隔を小さくする必要がないことを示している。

ABSTRACT

Comparisons of outdoor Urban Microcell (UMi) large-scale path loss models, root mean square (RMS) delay spreads (DS), angular spreads (AS), and the number of spatial beams for extensive measurements performed at 28, 38, 73, and 142 GHz are presented in this letter. Measurement campaigns were conducted from 2011-2020 in downtown Austin, Texas, Manhattan (New York City), and Brooklyn, New York with communication ranges up to 930 m. Key similarities and differences in outdoor wireless channels are observed when comparing the channel statistics across a wide range of frequencies from millimeter-wave to sub-THz bands. Path loss exponents (PLEs) are remarkably similar over all measured frequencies, when referenced to the first meter free space path loss, and the RMS DS and AS decrease as frequency increases. The similar PLEs from millimeter-wave to THz frequencies imply that spacing between cellular base stations will not have to change as carrier frequencies increase towards THz, since wider bandwidth channels at sub-THz or THz carrier frequencies will cover similar distances because antenna gains increase quadratically with increasing frequency when the physical antenna area remain constant.

研究の動機と目的

• 28～142 GHzのミリ波および準太赫ルツ帯域における屋外都市マイクロセル（UMi）伝搬特性を同定すること。
• 複数の周波数帯域における大規模路損失モデル、RMS遅延スプレッド、および角度スプレッドを比較すること。
• 周波数が将来の6Gシステムにおけるチャネルの疎らさおよびビームフォーミング要件に与える影響を評価すること。
• 太赫ルツ周波数帯におけるマルチバンド・ハイキャパシティ無線システム設計のための実証データを提供すること。

提案手法

• 2011年から2020年までにオースティン、マンハッタン、ブルックリンで実施された4回の広範囲屋外測定キャンペーン。測定範囲は最大930 m。
• 各周波数帯で回転可能ホーンアンテナを装備した、ワイドバンドスライディング相関型チャネルサウンディングシステムを用いた。
• 自由空間基準距離モデル（CIモデル）を用い、d₀ = 1 mとして、周波数間での路損失比較を標準化した。
• 30 dBの電力閾値を用いて多重経路成分を検出し、路損失指数、シャドウフェーディング、RMS遅延スプレッド、および角度スプレッド（AOA/AOD）を計算した。
• オムニディレクショナルおよびディレクショナルチャネルモデルの両方を分析し、CIF（近接自由空間）路損失モデルを含めた。
• アンテナビーム幅を全帯域で一貫して7–10°に保つことで、角度統計の比較可能性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 屋外UMi環境における28、38、73、142 GHz帯の路損失指数はどのように変化するか？
• RQ2 LOSおよびNLOS状況下で、周波数上昇に伴いRMS遅延スプレッドはどのように変化するか？
• RQ3 AOAおよびAODの角度スプレッドおよび空間パス数は周波数上昇に伴いどのように変化するか？
• RQ4 1 m自由空間路損失を基準にした場合、準太赫ルツ帯域のチャネル特性はミリ波帯域とどの程度類似しているか？
• RQ5 これらの発見は、6Gシステムにおける基地局間隔およびビームフォーミング設計にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 1 m自由空間路損失を基準にした場合、28–142 GHz帯で路損失指数（PLE）が著しく類似している：28 GHzで2.3、38 GHzで1.9、73 GHzで2.0、142 GHzで2.1。
• RMS遅延スプレッドは周波数上昇に伴い減少する：28 GHzで26 ns、38 GHzで11 ns、73 GHzで23 ns、142 GHzで9 ns。
• RMS角度スプレッド（AOAおよびAOD）は周波数上昇に伴い減少し、高周波数帯ではチャネルが疎らになる傾向を示す：LOS状況下で平均AOAスプレッドは28 GHzで30.8°から142 GHzで10.1°に低下。
• LOS状況下でAOA方向数の平均は28 GHzで3.6から142 GHzで1.9に低下し、NLOS状況下では4.7から1.6に低下し、周波数上昇に伴いチャネルの疎らさが増すことが確認された。
• シャドウフェーディング標準偏差は周波数上昇に伴い減少する：28 GHzで4.3 dB、38 GHzで3.5 dB、73 GHzで1.9 dB、142 GHzで2.8 dB。
• ミリ波帯および準太赫ルツ帯域間でPLEの類似性から、アンテナ開口面積が一定の場合は、周波数上昇に伴って基地局間隔を短縮する必要がないことが示唆される。