[論文レビュー] Path loss, beamforming gain and time dynamics measurements at 28 GHz for 90% indoor coverage.

Dmitry Chizhik, Jinfeng Du+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 21被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、28 GHz帯の室内測定を、狭帯域チャネルサウンダーを用いて実施し、90%カバレッジを満たすパスロス、ビームフォーミングゲイン、時間的ダイナミクスを特徴づけた。角を曲がるか部屋に入る際、30–32 dBの余剰損失が発生することが示された。また、システムシミュレーションにより、1 GHz帯域幅を用いて90%の位置で1 Gbpsを達成するには、各通路にアクセスポイントを設置する必要があることが判明した。

ABSTRACT

Achieving adequate coverage with high gain antennas is key to realizing the full promise of the wide bandwidth available at mm/cm bands. We report extensive indoor measurements at 28 GHz, with over 1000 links with and without Line-of-Sight (LOS) using a specialized narrowband channel sounder, capable of reliable measurements up to 171 dB path loss to characterize 90% coverage. Azimuthal power spectra were captured with 1-deg granularity using a 10-deg receive horn spun at speeds up to 300 rpm. Measured path gain-distance dependence in LOS and NLOS are well represented by power-law models, with 3.1 dB standard deviation in NLOS, and by a mode-diffusion model with 3.5 dB RMS error. Excess loss at 28 GHz suffered in turning a corner or into a room was found to be 30 and 32 dB respectively, in contrast to 20 dB found previously at 2 GHz. Degradation of azimuthal gain by scattering was within 4 dB in the hallway and 7 dB inside a room with 90% probability. System simulations in a canonical building indicate that every hallway needs an access point to provide 1 Gbps rate in 90% of locations using 1 GHz of bandwidth. For stationary terminals, with temporal fading caused by pedestrians, long term average-power-based aiming was within 3.7 dB of rapid beam switching in 90% of high traffic locations.

研究の動機と目的

• 28 GHz帯における視線内（LOS）および視線外（NLOS）環境下でのパスロスおよびビームフォーミング性能を定量化すること。
• 28 GHz帯で信号が角を曲がるか部屋に入る際に生じる余剰パスロスを特定すること。
• 通路および屋内部屋における散乱がビームフォーミングゲインに与える影響を評価すること。
• 28 GHz帯で1 GHz帯域幅を用いて、90%の屋内位置で1 Gbpsのデータレートを達成する可能性を評価すること。
• 歩行者に起因する時間変動フェージング下で、長期平均電力に基づくビームフォーミングと高速ビームスイッチングの性能を比較すること。

提案手法

• 専用の狭帯域チャネルサウンダーを用いて、28 GHz帯で1,000件以上の屋内リンクを測定し、最大171 dBのパスロスを測定可能にした。
• 最大300 rpmの速度で回転する10度の受信ホーンを用いて、1度解像度の方位電力スペクトルを取得した。
• 視線内（LOS）および視線外（NLOS）状態の両方において、パスロス-距離依存性をべき乗則モデルでモデル化した。
• NLOS伝搬を表現するためにモード拡散モデルを適用し、RMS誤差3.5 dBで表現した。
• 代表的な建物におけるシステム性能をシミュレートし、1 Gbpsカバレッジを達成するためのアクセスポイント密度要件を特定した。
• 歩行者に起因する時間変動フェージング下で、長期平均電力に基づくアーミングと高速ビームスイッチングを比較することで、ビームフォーミング戦略を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 28 GHz帯の視線内および視線外屋内環境におけるパスロス-距離依存性は何か？べき乗則関数によるモデル化はどの程度適切か？
• RQ2 28 GHz帯で信号が角を曲がるか部屋に入る際に生じる余剰パスロスは何か？低周波数帯と比較してどうか？
• RQ3 通路および屋内部屋における散乱の影響で、ビームフォーミングゲインがどの程度低下するか（90%確率で）？
• RQ4 28 GHz帯で1 GHz帯域幅を用いて、90%の屋内位置で1 Gbpsのデータレートを達成するには、どの程度のアクセスポイント密度が必要か？
• RQ5 歩行者に起因する時間変動フェージング下で、長期平均電力に基づくビームフォーミングと高速ビームスイッチングの性能は、どのように比較できるか？

主な発見

• 28 GHz帯の視線外（NLOS）パスロスは、べき乗則関数でモデル化した際、標準偏差が3.1 dBであった。
• 角を曲がる際の余剰損失は30 dB、部屋に入る際は32 dBであり、2 GHz帯で観測された20 dBよりも顕著に高い。
• 90%の確率で、通路では散乱によるビームフォーミングゲインの低下が4 dB以内、部屋内では7 dB以内であった。
• システムシミュレーションの結果、1 GHz帯域幅を用いて90%の位置で1 Gbpsを達成するには、各通路にアクセスポイントを設置する必要があることが示された。
• 静止端末では、長期平均電力に基づくビームフォーミングが、90%の高流量場所で高速ビームスイッチングの性能から3.7 dB以内の差にとどまった。