[論文レビュー] THz Band Channel Measurements and Statistical Modeling for Urban Microcellular Environments

Naveed A. Abbasi, Jorge Gomez‐Ponce+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、11.5 mの高さに設置された送信機を備えた都市マイクロセル環境において、145–146 GHz帯で広帯域かつ二方向のチャネル測定を初めて実施し、経路損失、シャドウイング、遅延スプレッド、角度スプレッド、多重パス成分の分布を分析した。研究では、LoSおよびNLoS条件の両方に対して統計的に適合されたモデルを提示しており、20–85 mの距離範囲において6G THzシステム設計およびシミュレーションの基盤となるフレームワークを提供する。

ABSTRACT

The THz band (0.1-10 THz) has attracted considerable attention for next-generation wireless communications, due to the large amount of available bandwidth that may be key to meet the rapidly increasing data rate requirements. Before deploying a system in this band, a detailed wireless channel analysis is required as the basis for proper design and testing of system implementations. One of the most important deployment scenarios of this band is the outdoor microcellular environment, where the Transmitter (Tx) and the Receiver (Rx) have a significant height difference (typically $ \ge 10$ m). In this paper, we present double-directional (i.e., directionally resolved at both link ends) channel measurements in such a microcellular scenario encompassing street canyons and an open square. Measurements are done for a 1 GHz bandwidth between 145-146 GHz and an antenna beamwidth of 13 degree; distances between Tx and Rx are up to 85 m and the Tx is at a height of 11.5 m from the ground. The measurements are analyzed to estimate path loss, shadowing, delay spread, angular spread, and multipath component (MPC) power distribution. These results allow the development of more realistic and detailed THz channel models and system performance assessment.

研究の動機と目的

• 高さ11.5 m以上の送信機を有する屋外都市マイクロセル環境における、包括的なTHzチャネル測定の不足に対処すること。
• 現実的な都市環境下でのキーチャネルパラメータ（経路損失、シャドウイング、遅延スプレッド、角度スプレッド、多重パス成分の電力分布）を同定すること。
• 145–146 GHz帯におけるライン・オブ・サイト（LoS）およびライン・オブ・サイトでない（NLoS）伝搬の両方について、統計的に妥当なモデルを構築すること。
• 26か所の測定地点と約110,000のインパルス応答を基に、実世界の測定に基づくデータ駆動型で現実的なチャネルモデルを提供することで、将来の6Gシステム設計および性能評価を支援すること。

提案手法

• 実都市環境において26の送信機-受信機位置ペアを対象に、145–146 GHz帯で1 GHz帯域幅を用いた二方向チャネルサウンディングを実施した。
• 両端の送信機および受信機で方向分解能を実現するため、13°のビーム幅を持つ方向性ロッドアンテナを採用した。
• キーチャネルパラメータの統計的分析を可能とするために、約110,000件の方向指向インパルス応答を収集した。
• 全方向受信および最大電力ビーム方向受信の両方について、距離依存の経路損失を線形回帰を用いてモデル化した。
• 信頼区間を伴う統計的分布（例：シャドウイングには対数正規分布、多重パスにはレイノールド/ライス分布）を測定パラメータに適合させた。
• 最適化された最小二乗法（OLS）および最尤推定法（MLE）を用いてモデルパラメータを最適化し、適合精度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 11.5 m以上の高さの送信機を有する都市マイクロセル環境において、THz帯域の経路損失は距離にどのように依存するか？
• RQ2 145–146 GHz帯におけるLoSおよびNLoSシナリオのシャドウイングおよび多重パス成分電力の統計的分布は何か？
• RQ3 都市のストリートキャニオンおよびオープンスクエアにおいて、伝搬距離およびリンク状態（LoS対NLoS）に応じて、角度スプレッドおよび遅延スプレッドはどのように変化するか？
• RQ4 THzチャネルにおいて、全方向受信と最大電力ビーム受信の統計的特性にどのような差が生じるか？
• RQ5 標準的な統計的モデル（例：対数正規分布によるシャドウイング、レイノールド/ライスフェージング）は、本シナリオの測定THzチャネルデータにどの程度適合するか？

主な発見

• LoS条件下では、全方向受信の場合は10年ごとに1.93 dB、最大電力ビーム方向受信の場合は10年ごとに1.88 dBの距離依存モデルに従う経路損失を示した。
• NLoS条件下では、最大電力ビーム受信の経路損失の勾配は10年ごとに2.57 dBにまで急激に増加し、遮断および指向性利得の低下による高い経路損失を示した。
• シャドウイングの標準偏差は、送信機でLoS時が0.08 dB、受信機で0.18 dBであり、NLoS時では送信機で0.18 dB、受信機で0.19 dBに増加し、非ライン・オブ・サイトリンクのばらつきが大きいことを示した。
• 遅延スプレッドはLoS時（στ_omni = 4.25 dB、στ_max-dir = 1.95 dB）がNLoS時（στ_omni = 4.66 dB、στ_max-dir = 4.33 dB）よりも顕著に低く、NLoSでは多重パスクラスタリングに起因するばらつきが大きいことが判明した。
• 多重パス成分（MPC）の電力分布は、最大電力ビームLoSでKファクター14.72、NLoSで10.57を示し、LoSでは支配的で明確な鏡面反射パスが存在し、NLoSではより拡散した環境であることを示した。
• 経路損失およびシャドウイングを含む統計的モデルパラメータは信頼区間を伴って適合されており、26か所の測定地点と約110,000件のインパルス応答に基づき、距離20 m～85 mの範囲で有効である。