[논문 리뷰] 140 GHz Urban Microcell Propagation Measurements for Spatial Consistency Modeling

Shihao Ju, Theodore S. Rappaport|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 09.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 24인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 6G 무선 시스템을 위한 142 GHz 도심 마이크로셀 전파 측정을 통해 102 m 길이의 직사각형 노선에서 공간 일관성을 특성화한다. 음영 감쇠, 지연 스프레드, 각도 스프레드의 공간 자기상관 분석을 통해 각각 3.8 m(음영 감쇠), 11.8 m(지연 스프레드), 12.0 m(각도 스프레드)의 상관 거리를 발견하였으며, 이는 100 GHz 이하 대역의 3GPP 모델과 비교해 142 GHz에서 음영 감쇠의 공간 상관 거리가 상당히 짧음을 시사한다.

ABSTRACT

Sub-Terahertz frequencies (frequencies above 100 GHz) have the potential to satisfy the unprecedented demand on data rate on the order of hundreds of Gbps for sixth-generation (6G) wireless communications and beyond. Accurate beam tracking and rapid beam selection are increasingly important since antenna arrays with more elements generate narrower beams to compensate for additional path loss within the first meter of propagation distance at sub-THz frequencies. Realistic channel models for above 100 GHz are needed, and should include spatial consistency to model the spatial and temporal channel evolution along the user trajectory. This paper introduces recent outdoor urban microcell (UMi) propagation measurements at 142 GHz along a 39 m $ imes$ 12 m rectangular route (102 m long), where each consecutive and adjacent receiver location is 3 m apart from each other. The measured power delay profiles and angular power spectrum at each receiver location are used to study spatial autocorrelation properties of various channel parameters such as shadow fading, delay spread, and angular spread along the track. Compared to the correlation distances reported in the 3GPP TR 38.901 for frequencies below 100 GHz, the measured correlation distance of shadow fading at 142 GHz (3.8 m) is much shorter than the 10-13 m as specified in 3GPP; the measured correlation distances of delay spread and angular spread at 142 GHz (both 12 m) are comparable to the 7-10 m as specified in 3GPP. This result may guide the development of a statistical spatially consistent channel model for frequencies above 100 GHz in the UMi street canyon environment.

연구 동기 및 목표

• 6G 무선 시스템을 위한 도심 마이크로셀 환경에서 142 GHz 대역의 주요 채널 파라미터의 공간 일관성을 조사하기 위해.
• 102 m 길이의 직사각형 노선을 따라 음영 감쇠, 지연 스프레드, 각도 스프레드의 공간 자기상관을 측정하고 분석하기 위해.
• 서브-THz 대역에서의 대규모 파라미터에 대한 상관 거리를 정량화하여 정확한 통계적 채널 모델링을 지원하기 위해.
• 측정된 상관 거리를 100 GHz 이하 주파수에 대해 3GPP TR 38.901에서 제시한 값들과 비교하기 위해.
• 6G 시스템의 빔 추적 및 빔 포밍을 위한 공간적으로 일관된 채널 모델 개발을 지원하기 위해.

제안 방법

• 뉴욕 대학 캠퍼스의 야외에서 142 GHz 전파 측정을 실시하였으며, 송신(4 m 높이) 및 수신(1.5 m 높이) 위치에 고이득 홀로우 안테나를 회전 가능하게 설치하였다.
• 39 m × 12 m 직사각형 노선(총 길이 102 m)에 34개의 수신 위치를 배치하였으며, 인접한 위치 간 간격은 3 m였다.
• 각 수신 위치에서 전력 지연 프로파일과 각도 전력 스펙트럼을 측정하여 음영 감쇠, RMS 지연 스프레드, 각도 스프레드 등의 대규모 파라미터를 추출하였다.
• 실측된 공간 자기상관 함수(SAF)에 대해 지수 감쇠 정현파 모델을 적용하여 채널 파라미터의 공간 자기상관 함수를 분석하였다.
• 지수 감쇠 성분에 대해 상관 거리를 계산하기 위해 공식을 사용하여 상관 거리를 유도하였다: 상관 거리 = D2.
• 라인 오브 사이트(LOS) 및 비라인 오브 사이트(NLOS) 전파 조건을 구분하여 라인 오브 사이트 및 비라인 오브 사이트 환경 간 파라미터 변동성을 평가하였다.

Figure 1 : 142 GHz outdoor local area measurement locations.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 142 GHz 도심 마이크로셀 스트리트 캐년 환경에서 음영 감쇠의 공간 상관 거리는 얼마인가?
• RQ2 142 GHz에서의 지연 스프레드 및 각도 스프레드의 공간 상관 거리는 100 GHz 이하 주파수에 대해 3GPP TR 38.901에서 제시한 값들과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 142 GHz에서의 채널 파라미터 공간 자기상관은 라인 오브 사이트(LOS) 및 비라인 오브 사이트(NLOS) 전파 조건 간에 어떻게 다를까?
• RQ4 환경의 대칭성이 관측된 공간 자기상관 함수의 진동 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 지수 감쇠 정현파 함수는 서브-THz 주파수에서 대규모 채널 파라미터의 공간 상관을 정확하게 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 142 GHz에서 측정된 음영 감쇠의 공간 상관 거리는 3.8 m이며, 100 GHz 이하 주파수에 대해 3GPP TR 38.901에서 제시하는 10–13 m 범위보다 현저히 짧다.
• 142 GHz에서의 지연 스프레드 상관 거리는 11.8 m이며, 100 GHz 이하 대역에 대해 3GPP에서 제시하는 7–10 m 범위와 유사하다.
• 142 GHz에서의 각도 스프레드 상관 거리는 12.0 m이며, 100 GHz 이하 주파수에 대해 3GPP TR 38.901에서 보고한 7–10 m 범위와 유사하다.
• NLOS 수신 위치는 LOS 위치보다 지연 스프레드(표준편차 23.9 ns)와 각도 스프레드(표준편차 0.32 라디안)의 변동성이 더 높았다. LOS 위치의 경우 각각 13.3 ns 및 0.22 라디안이었다.
• 지수 감쇠 정현파 함수는 모든 세 가지 파라미터의 공간 자기상관 함수에 잘 맞았으며, 환경의 대칭성으로 인한 진동적 공간 상관 패턴이 존재할 가능성을 시사한다.
• 결과적으로, 6G 시스템의 서브-THz 주파수에서 공간 일관성 모델을 수립할 경우 현재 3GPP 모델에서 가정하는 것보다 음영 감쇠의 상관 거리를 더 짧게 고려해야 함을 시사한다.

Figure 2 : Omnidirectional PDPs with absolute time delays on the links from TX1 to RX1-RX34.