[論文レビュー] Millimeter Wave Channel Modeling and Cellular Capacity Evaluation

Mustafa Riza Akdeniz, Yuanpeng Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2013

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 46被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ニューヨークシティにおける28 GHzおよび73 GHzの実測データを用いて、実験的mmWaveチャネルモデルを提示している。高度なクラスタリングおよび統計的モデリング手法を用い、システム容量を評価した。結果として、視線外（NLOS）の都市環境においても、多重パスクラスタリングと効果的なビームフォーミングのおかげで、mmWaveセルラー網は4Gに比べて1桁の容量向上を達成できることを示した。これは、高いパスロスと障害リスクがあるにもかかわらず、依然として有効である。

ABSTRACT

With the severe spectrum shortage in conventional cellular bands, millimeter wave (mmW) frequencies between 30 and 300 GHz have been attracting growing attention as a possible candidate for next-generation micro- and picocellular wireless networks. The mmW bands offer orders of magnitude greater spectrum than current cellular allocations and enable very high-dimensional antenna arrays for further gains via beamforming and spatial multiplexing. This paper uses recent real-world measurements at 28 and 73 GHz in New York City to derive detailed spatial statistical models of the channels and uses these models to provide a realistic assessment of mmW micro- and picocellular networks in a dense urban deployment. Statistical models are derived for key channel parameters including the path loss, number of spatial clusters, angular dispersion and outage. It is found that, even in highly non-line-of-sight environments, strong signals can be detected 100 m to 200 m from potential cell sites, potentially with multiple clusters to support spatial multiplexing. Moreover, a system simulation based on the models predicts that mmW systems can offer an order of magnitude increase in capacity over current state-of-the-art 4G cellular networks with no increase in cell density from current urban deployments.

研究の動機と目的

• 実測伝搬測定に基づき、都市部のマイクロおよびピコセルラー網向けに正確な統計的mmWaveチャネルモデルを構築すること。
• 視線（LoS）リンクが稀なニューヨークシティのような混雑した都市環境において、mmWaveセルラーシステムの実現可能性を評価すること。
• 視線外（NLOS）および障害状態を含む現実的な伝搬条件下でのシステム容量および障害性能を定量すること。
• 高いパスロスと信号遮断が生じる中でも、ビームフォーミングと空間多重がmmWaveシステム性能に与える影響を評価すること。
• パスロス、角度分散、クラスタ数、障害確率といった主要なチャネルパラメータをモデル化することで、将来の5Gシステム設計の基盤を提供すること。

提案手法

• 方向性アレーキューレットを装備した移動キャリッジを用いて、ニューヨークシティで28 GHzおよび73 GHzの屋外mmWave伝搬測定を実施した。
• サブサンプリングされた空間測定データから角度領域における空間クラスタを特定するために、ヒューリスティック手法を組み合わせたK-meansベースのクラスタリングアルゴリズムを提案した。
• 最尤推定法を用いて、パスロス、空間クラスタ数、角度分散、およびクラスタ間電力比といった主要なチャネルパラメータの統計的モデルを構築した。
• 標準的な3GPP LoS/NLOSモデルを拡張し、信号障害を明示的にモデル化するための第三状態を導入することで、都市渓谷環境における現実性を向上させた。
• 得られたモデルをシステムレベルのシミュレーションに応用し、現実的な展開シナリオ下での下行リンクおよび上行リンクのスペクトル効率、セルスループット、エッジレートを評価した。
• 遮断状態の拡大に対するmmWaveシステムの耐性を評価するため、障害曲線をずらし、遮断条件の変化に伴う性能劣化を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 視線（LoS）が制限される混雑した都市環境において、28 GHzおよび73 GHzのmmWave信号は、基地局から200メートルの距離まで信頼性を持って接続を維持できるか？
• RQ2 都市環境におけるmmWaveチャネルでは、何個の空間クラスタの伝搬パスが存在するのか？ また、それらの角度分散と電力分布はどのようになるか？
• RQ3 ビームフォーミングと高利得アンテナアレイは、mmWave周波数帯でのパスロスの増加をどの程度補償できるか？
• RQ4 信号障害がmmWaveシステム容量に与える影響は何か？ また、障害半径が増加した場合、システムの性能はどのようになるか？
• RQ5 NLOSおよび障害制限のある都市展開においても、セル密度の増加なしにmmWaveセルラー網が4Gネットワークに比べて顕著な容量向上を達成できるか？

主な発見

• 視線外（NLOS）状態においても、基地局から200メートルの距離までmmWave信号が検出可能であり、反射および散乱による強いNLOS伝搬が確認された。
• 多くの地点で複数の空間クラスタ（最大4つ、平均で約2つ）が観測され、都市部の遮断があっても空間多重およびダイバーシティ利得が可能となった。
• オムニディレクショナルパスロスがmmWave帯で20–25 dB増加したにもかかわらず、ビームフォーミングゲインのおかげで完全に相殺され、ビームフォーミングを適用した場合、実効パスロスの増加は生じなかった。
• システムレベルのシミュレーションでは、現実の障害およびNLOS条件を想定した場合でも、同じセル密度下でmmWaveシステムが4Gネットワークに比べて1桁の高い容量を達成できることを示した。
• 障害半径がやや増加（例：50 mシフト）した場合でも、性能劣化はわずかに抑えられ、システムは耐性を示したが、75 mのシフトでは近距離ユーザーの接続喪失に起因してエッジレートの著しい劣化が発生した。
• 視線（LoS）リンクの存在はシステムスループットを顕著に向上させるが、LoSがなくてもmmWaveシステムは4Gに比べて20倍以上のスペクトル効率向上を達成しており、遮断に対して強い耐性を示した。