[論文レビュー] Synthesizing Omnidirectional Antenna Patterns, Received Power and Path Loss from Directional Antennas for 5G Millimeter-Wave Communications

Shu Sun, George R. MacCartney+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、28 GHzおよび73 GHzにおける指向性ホーンアンテナの測定値を用いて、全方向性アンテナパターン、受信電力、経路損失を合成する手法を提案する。この手法は、重複のない方位角および仰角の指向角度すべてにわたる受信電力を合算することで、広範囲かつ高動的範囲の正確な全方向経路損失モデル化を可能にする。理論的分析とミリ波伝搬測定により、異なるビーム幅を有するアンテナを用いて検証された。

ABSTRACT

Omnidirectional path loss models are vital for radiosystem design in wireless communication systems, as they allow engineers to perform network simulations for systems with arbitrary antenna patterns. At millimeter-wave frequencies, channel measurements are frequently conducted using steerable highgain directional antennas at both the transmitter and receiver to make up for the significant increase in free space path loss at these frequencies compared to traditional cellular systems that operate at lower frequencies. The omnidirectional antenna pattern, and resulting omnidirectional received power must therefore be synthesized from many unique pointing angles, where the transmit and receive antennas are rotated over many different azimuth and elevation planes. In this paper, the equivalent omnidirectional antenna pattern and omnidirectional received power are synthesized by summing the received powers from all measured unique pointing angles obtained at antenna halfpower beamwidth step increments in the azimuth and elevation planes, and this method is validated by demonstrating that the synthesized omnidirectional received power and path loss are independent of antenna beamwidth, through theoretical analyses and millimeter-wave propagation measurements using antennas with different beamwidths. The method in this paper is shown to provide accurate results while enhancing the measurement range substantially through the use of directional antennas.

研究の動機と目的

• 高周波数測定において実用的である指向性アンテナを用いて、5Gミリ波システムにおける正確な全方向経路損失モデリングを可能にすること。
• ミリ波周波数帯で長距離測定を達成するために、過剰な送信電力を要する低利得の全方向アンテナの限界を克服すること。
• 合成された全方向経路損失が指向性アンテナのビーム幅に依存しないことを検証し、異なる測定設定間での一貫性を保証すること。
• 高利得指向性アンテナを活用することで測定の動的範囲とカバー範囲を拡張し、同時に同等の全方向性能を達成すること。
• 研究者がアイソトropicアンテナを必要とせずに、ミリ波システムにおける全方向挙動のシミュレーションおよびモデリングが可能となる実用的手法を提供すること。

提案手法

• 送信機および受信機に可動式の高利得指向性ホーンアンテナを用い、半パワー波束幅（HPBW）の刻みで、すべての固有の方位角および仰角にわたってスキャンすることで経路損失を測定する。
• 送信機および受信機の利得を除き、全指向性受信電力（mW単位）を、重複のない指向角度の組み合わせすべてにわたって合算することで、全方向受信電力を合成する。これにより、0 dBiのアイソトropic応答を模擬する。
• 次の式を用いて合成された全方向経路損失を計算する：$\mathrm{PL}_{i,j}[\mathrm{dB}] = \mathrm{Pt}_{i,j}[\mathrm{dBm}] - 10\log_{10}\left(\sum_{n}\sum_{m}\sum_{l}\sum_{k}\mathrm{Pr}_{i,j}(\phi_k,\theta_l,\varphi_m,\vartheta_n)[\mathrm{mW}]\right)$、ここで利得は除外される。
• 異なる指向性アンテナのビーム幅（例：3×3ナロービーム対ワイドビーム）を用いた合成全方向経路損失の比較により、本手法の妥当性を検証する。
• 28 GHzおよび73 GHzにおける理論的分析と実測のミリ波伝搬測定を用いて、合成された経路損失がビーム幅に依存せず、アイソトropic挙動と整合することを確認する。
• 室外環境において、最も強い方位平面およびその隣接する2平面をスキャンするだけで、全受信電力の72%～95%をカバーできることを示し、時間的・リソース的効率の良い近似手法を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ波周波数帯において、指向性アンテナの測定値から正確に全方向経路損失を合成できるか？
• RQ2 合成された全方向経路損失は、異なる指向性アンテナのビーム幅に依存しないか？
• RQ3 室外のミリ波環境において、最も強い方位平面が全方向受信電力にどの程度寄与しているか？
• RQ4 低利得全方向アンテナを用いる場合と比較して、本手法は測定の動的範囲とカバー距離を拡張できるか？
• RQ5 リソース制約下の状況において、全方向経路損失を最も強い方位平面およびその直近の隣接平面のみを用いて近似することが可能か？

主な発見

• 理論的分析および28 GHzおよび73 GHzでの測定により、合成された全方向経路損失が指向性アンテナのビーム幅に依存しないことが検証された。
• 3×3ナロービームアンテナアレイの受信電力は、約3倍のHPBWを持つ単一のワイドビームアンテナと非常に近い値を示し、一貫性が確認された。
• 低利得全方向アンテナを用いる場合と比較して、本手法により測定の動的範囲およびカバー距離が顕著に向上した。
• 室外環境では、最も強い方位平面とその隣接平面を組み合わせることで、全受信電力の72%～95%をカバーでき、最大で0.8 dBの差異にとどまる。
• 仰角スキャンを1つのHPBW刻みに制限した場合、高リンクバジェット状況（例：送信機高さ17 m）では、最も強い方位平面が全電力の90%以上を占める。
• 本手法により、高出力全方向測定を要せず、指向性アンテナを用いても正確な全方向経路損失モデリングが可能となる。