[論文レビュー] Multiple Ray Received Power Modeling for mmWave Indoor and Outdoor Scenarios

Wahab Khawaja, Özgür Özdemir+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、28 GHz帯のミリ波通信における屋内通路および屋外開放領域の複数経路損失モデルを、解析的モデリング、測定、レイトレーシングシミュレーションを用いて提案する。屋内通路では多重経路の反射による影響が顕著であるため、正確なモデリングには5本の主要な経路が必要であるのに対し、屋外開放領域では2本の経路で十分である。また、アレイアンテナの利得が経路損失の勾配およびモデル適合精度に顕著な影響を及ぼすことが判明した。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) frequency bands are expected to be used for future 5G networks due to the availability of large unused spectrum. However, the attenuation at mmWave frequencies is high. To resolve this issue, the utilization of high gain antennas and beamforming mechanisms are widely investigated in the literature. In this work, we considered mmWave end-to-end propagation modeled by individual ray sources, and explored the effects of the number of rays in the model and radiation patterns of the deployed antennas on the received power. It is shown that taking the dominant two rays is sufficient to model the channel for outdoor open areas as opposed to the indoor corridor which needs five dominant rays to have a good fit for the measurement and simulation results. It is observed that the radiation pattern of the antenna affects the slope of the path loss. Multi-path components increase the received power, thus, for indoor corridor scenarios, path loss according to the link distance is smaller for lower gain antennas due to increased reception of reflected components. For an outdoor open area, the slope of the path loss is found to be very close to that of the free space.

研究の動機と目的

• 複数の経路成分を用いて、屋内および屋外シナリオにおけるミリ波エンドツーエンド伝搬をモデリングすること。
• アンテナ利得および放射パターンが経路損失および受信電力に与える影響を評価すること。
• 異なる環境における正確なチャネルモデリングのための最適な主要経路数を特定すること。
• 解析的モデル、レイトレーシングシミュレーション、実世界の測定結果を比較して検証すること。
• 統計的仮説検定（z検定）を用いて、2経路モデルおよび5経路モデルが測定データにどの程度適合するかを評価すること。

提案手法

• 屋外シナリオには1次反射に基づく解析的2経路モデル、屋内シナリオには1次反射に基づく解析的5経路モデルをそれぞれ開発した。
• PXIベースのチャネルサウンダおよび指向性ホーンアンテナ（17 dBiおよび23 dBi利得）を用いて、28 GHz帯での実世界測定を実施した。
• 解析的モデルの妥当性を検証し、測定された経路損失データと比較するために、レイトレーシングシミュレーションを実施した。
• 線形回帰を用いて経路損失モデルに適合させ、測定値、解析的データ、シミュレーションデータの両方の勾配およびy切片を算出した。
• 95%信頼区間において、測定結果と比較してモデル適合度を評価するため、z検定を適用した。統計的有意性を検証した。
• ライス係数（Ricean K-factor）を、視線（LOS）電力と拡散多重経路電力の比として算出し、視線成分の優位性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 屋内通路および屋外開放領域のミリ波チャネルにおいて、経路損失を正確にモデリングするには、何本の主要経路が必要か？
• RQ2 指向性アンテナの放射パターンおよび利得は、経路損失の勾配および受信電力にどのように影響を与えるか？
• RQ3 2経路モデルおよび5経路モデルの解析的モデルは、屋内および屋外環境における測定された経路損失データにどの程度適合するか？
• RQ4 屋内通路における多重経路成分（反射）は、受信電力および経路損失特性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 屋内および屋外シナリオにおいて、アンテナ利得およびリンク距離に応じてライス係数はどのように変化するか？

主な発見

• 屋内通路では、天井および壁からの反射による寄与が顕著であるため、正確な経路損失モデリングには5本の主要経路が必要である。一方、屋外開放領域では2本の経路で十分である。
• 屋内通路では、反射波のコherentな合成により、自由空間経路損失よりも勾配がやや平坦になる。これは減衰が軽減されることを意味する。
• 屋外開放領域では、経路損失の勾配が自由空間経路損失に非常に近い値を示し、直接波および1次反射波の支配的影響が確認された。
• 23 dBiの高利得アンテナは、17 dBiの低利得アンテナよりも測定データとのモデル適合度が優れている。これは、オフボアシフト反射波の抑制効果によるものである。
• z検定の結果、5経路解析的モデルは、勾配および切片の両方において測定データと95%信頼区間内に収容されたが、2経路モデルは収容されなかった。
• 23 dBiアンテナは17 dBiアンテナよりも高いライス係数を示した。これは、より強い指向性と拡散多重経路電力の低減によるものである。ただし、測定されたライス係数は、建設的・破壊的干渉効果のため、実際には低めに測定された。