[論文レビュー] Millimeter Wave Wireless Communications: New Results for Rural Connectivity

George R. MacCartney, Shu Sun+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 12被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、バーミントン・バーリンの農村部バーリンで実施された73 GHzの実地測定キャンペーンを通じて、検証された新しい近接距離（CI）基準距離路損失モデルを、ミリ波（mmWave）農村メガセル（RMa）通信のための提案している。このモデルは3GPP RMaモデルよりも優れた精度と安定性を達成し、視認路（LOS）では2.16、非視認路（NLOS）では2.75の路損失指数を用いて、11 kmまで信頼性の高い信号伝搬を実現している。

ABSTRACT

This paper shows the remarkable distances that can be achieved using millimeter wave communications, and presents a new rural macrocell (RMa) path loss model for millimeter wave frequencies, based on measurements at 73 GHz in rural Virginia. Path loss models are needed to estimate signal coverage and interference for wireless network design, yet little is known about rural propagation at millimeter waves. This work identifies problems with the RMa model used by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) TR 38.900 Release 14, and offers a close-in (CI) reference distance model that has improved accuracy, fewer parameters, and better stability as compared with the existing 3GPP RMa path loss model. The measurements and models presented here are the first to validate rural millimeter wave path loss models.

研究の動機と目的

• mmWave農村路損失モデルの実地検証の不足、特に3GPP RMaモデルの対応を解決すること。
• 都市部モデルに基づき農村での検証が不十分な、現在の3GPP RMa路損失モデルに内在する数学的・実測的欠陥を特定すること。
• 実世界の測定に基づいて、mmWave農村メガセル環境に適した、より単純で正確な路損失モデルを構築・検証すること。
• 500 MHzから100 GHzの周波数範囲にわたり、物理的に根拠を持ち、安定的かつスケーラブルな路損失モデルを農村環境に適用可能とする。

提案手法

• 110 mの高さの基地局を備えたバーリン（バーミントン）の農村部で、73 GHzの実地測定キャンペーンを実施。11 kmまでの受信地点を複数設置。
• 木々の密度や大気状態の変化に伴い、1 mから11 kmまでの距離で視認路（LOS）および非視認路（NLOS）の路損失データを収集。
• 1 mを基準距離とする近接距離（CI）基準距離路損失モデルを提案。形式は PL = 32.4 + 20 log₁₀(fc) + 20 log₁₀(d) + χσ である。
• 実測データをフィッティングして、路損失指数（PLE）をLOSで2.16、NLOSで2.75、遮断フェイディングの標準偏差をそれぞれ1.7 dBおよび6.7 dBとして算出。
• 3GPP RMaモデルと比較して、特に9.1 GHzを超える周波数帯で優れた精度と安定性を示すことを検証。
• 広く研究および標準化に利用可能なオープンソース5GチャネルシミュレータNYUSIMに、提案されたモデルを実装。

Figure 1: LOS breakpoint distance vs. frequency in ( 2 ).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mmWave周波数、特に9.1 GHzを超える周波数帯において、現在の3GPP RMa路損失モデルは農村環境でどれほど正確か？
• RQ2 より単純で物理的根拠を持つ路損失モデルは、複雑で実証が不十分な3GPP RMaモデルを、農村mmWave環境で凌駕できるか？
• RQ3 73 GHzにおける農村メガセル環境のmmWave信号の実際の路損失指数と遮断フェイディング統計は何か？
• RQ4 mmWave信号は農村部でどの程度まで伝搬可能か？また、3GPPモデルは5 kmを超える範囲のカバレッジを正しく予測できるか？
• RQ5 近接距離（CI）基準距離モデルは、広い周波数範囲で農村環境におけるmmWave路損失を正確に記述できるか？

主な発見

• 3GPP RMa路損失モデルは9.1 GHzを超える周波数帯で数学的に無効であり、農村mmWave環境での実地検証が不十分である。
• 提案されたCI路損失モデルは500 MHzから100 GHzの周波数範囲で高い精度を達成し、73 GHzにおける路損失指数はLOSで2.16、NLOSで2.75である。
• 測定された路損失データは、視認路で11 km、非視認路で8.5 kmまで信号伝搬が確認され、3GPP NLOSモデルの5 kmの制限を大幅に上回っている。
• 遮断フェイディングの標準偏差は、LOSで1.7 dB、NLOSで6.7 dBであり、3GPPモデルが想定する4 dBおよび8 dBよりも顕著に低い。
• CIモデルは3GPP RMaモデルよりも単純で、より安定的かつ実測データに適合しており、3GPP RMaモデルは路損失を過大評価しており、都市部伝搬の仮定に基づいている。
• 新モデルは3GPP RMaモデルの代替として有効であることが検証され、農村mmWaveネットワーク設計のオプションまたは代替標準として採用すべきである。

Figure 2: 73 GHz TX measurement equipment.