[論文レビュー] Millimeter Wave Small-Scale Spatial Statistics in an Urban Microcell Scenario

Shu Sun, Hangsong Yan+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、35.31cmの直線的移動軌道を用いて、都市のマイクロセル環境における73.5 GHz帯の広帯域ミリ波の小規模空間フェージングおよび自己相関測定を実施した。線形偏波状態の下で、視線（LOS）および非視線（NLOS）条件下において信号電圧振幅のフェージングはRice分布に従い、NLOSのオムニディレクショナル条件では対数正規分布に従うことが判明した。空間自己相関は正弦波的指数関数的または指数関数的モデルに従い、相関が崩れる距離（コルレーション距離）は、方向および環境に応じて0.27～81.6 cmの範囲で変動した。

ABSTRACT

This paper presents outdoor wideband small-scale spatial fading and autocorrelation measurements and results in the 73 GHz millimeter-wave (mmWave) band conducted in downtown Brooklyn, New York. Both directional and omnidirectional receiver (RX) antennas are studied. Two pairs of transmitter (TX) and RX locations were tested with one line-of-sight (LOS) and one non-line-of-sight (NLOS) environment, where a linear track was employed at each RX to move the antenna in half-wavelength increments. Measured data reveal that the small-scale spatial fading of the received signal voltage amplitude are generally Ricean-distributed for both omnidirectional and directional RX antenna patterns under both LOS and NLOS conditions in most cases, except for the log-normal distribution for the omnidirectional RX antenna pattern in the NLOS environment. Sinusoidal exponential and typical exponential functions are found to model small-scale spatial autocorrelation of the received signal voltage amplitude in LOS and NLOS environments in most cases, respectively. Furthermore, different decorrelation distances were observed for different RX track orientations, i.e., for different directions of motion relative to the TX. Results herein are valuable for characterizing small-scale spatial fading and autocorrelation properties in multiple-input multiple-output (MIMO) systems for fifth-generation (5G) mmWave frequencies.

研究の動機と目的

• 73.5 GHz帯における都市のマイクロセル環境下でのミリ波信号の小規模空間フェージングおよび自己相関を実環境で同定すること。
• 受信アンテナの指向性（オムニディレクショナル対指向性）が信号分布および空間相関に与える影響を評価すること。
• MIMOシステム設計のため、LOSおよびNLOS条件下での相関崩壊距離を定量化すること。
• 実測データに基づいて、正弦波的指数関数的および指数関数的関数を用いた空間自己相関のモデル化。
• 5Gミリ波MIMOチャネルモデリングおよびビームフォーミング最適化のためのデータ駆動型知見を提供すること。

提案手法

• 1 GHzのRF帯域幅を有するスライディング相互相関型チャネルサウンダーを用いて、73.5 GHz帯で広帯域屋外測定を実施した。
• 受信アンテナの空間サンプリングのため、半波長刻み（約1.04 mm刻み）で35.31cmの直線的移動軌道を用いた。
• 1.4 mの高さに設置されたオムニディレクショナルおよび指向性（ピラミッド型ホーン）受信アンテナを用い、4 mの高さに指向性送信アンテナを設置した。
• 基band電圧信号の同相成分および直交成分を測定し、信号エンベロープ振幅を再構築し、空間相関を計算した。
• 統計的適合度分析を用いて、測定された電圧振幅データにRice分布、対数正規分布、Nakagami-m分布を適合させた。
• 相関の減衰から推定された相関崩壊距離を用いて、空間自己相関を正弦波的指数関数的および指数関数的関数でモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 73.5 GHz帯の都市マイクロセル環境下で、オムニディレクショナルおよび指向性受信アンテナがそれぞれLOSおよびNLOS条件下で示す小規模空間フェージング分布はどのように変化するか？
• RQ2 LOSおよびNLOS条件下におけるミリ波信号電圧振幅の空間自己相関行動はどのようなものか。また、どの数学的モデルが最も適切にそれを記述できるか？
• RQ3 受信アンテナの指向性が送信機および主要な反射体に対して相対的にどのように配置されているかに応じて、相関崩壊距離はどのように変化するか？
• RQ4 アンテナ指向性および伝搬環境（LOS対NLOS）がKファクタおよびフェージングの深さに与える影響は何か？
• RQ5 測定された空間相関特性は、アンテナが密に配置された5Gミリ波MIMOシステムの設計にどのように寄与するか？

主な発見

• LOS条件下では、オムニディレクショナル受信アンテナの小規模フェージングはKファクタ10 dBのRice分布に従い、NLOSでは標準偏差0.65 dBの対数正規分布に従う。
• 指向性受信アンテナでは、LOSおよびNLOS両環境においてフェージングがRice分布で最もよく記述され、KファクタはLOSで7～17 dB、NLOSで9～21 dBの範囲を示した。
• フェージングの深さは、オムニディレクショナル受信アンテナではLOSで-3 dB～1.5 dB（平均に対して）、NLOSで-0.8 dB～0.8 dBの範囲であった。指向性受信アンテナでは、両環境で-4 dB～2 dBの範囲であった。
• LOS環境における空間自己相関は、オムニディレクショナル受信アンテナおよび大多数の指向性受信アンテナで正弦波的指数関数的関数が最も適切に適合したが、受信アンテナが送信受信基線に平行に移動する場合には指数関数的減衰が最も適切に適合した。
• NLOS環境では、オムニディレクショナルおよび指向性受信アンテナの両方において、空間自己相関が指数関数的減衰モデルで良好に記述された。
• 相関崩壊距離は、NLOSで0.67～25波長（0.27～10.2 cm）の範囲、LOSで5～200波長（2.09～81.6 cm）の範囲を示し、受信アンテナが主要な反射体を向いており、送信受信基線に平行に移動する場合に最大の相関崩壊が発生した。