[논문 리뷰] 142 GHz Multipath Propagation Measurements and Path Loss Channel Modeling in Factory Buildings

Shihao Ju, Theodore S. Rappaport|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 23.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 실내 공장 환경에서 처음으로 142 GHz의 서브-THz 대역 채널 측정를 수행하였으며, 네 곳의 공장에서 선로상(LOS) 및 비선로상(NLOS) 조건에 대해 경로 손실을 모델링하였다. 저수준 수신기 높이(0.5 m)는 고수준 수신기(1.5 m) 대비 LOS 조건에서 10.7 dB, NLOS 조건에서 6.0 dB 더 높은 경로 손실을 경험하며, 수동 반사 표면(PRS)이 균일한 이득을 최대 22 dB까지 향상시키고 평균 6.5 dB 향상시키며, 6G 스마트 팩토리에 위한 실현 가능한 서브-THz 링크를 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper presents sub-Terahertz (THz) radio propagation measurements at 142 GHz conducted in four factories with various layouts and facilities to explore sub-THz wireless channels for smart factories in 6G and beyond. Here we study spatial and temporal channel responses at 82 transmitter-receiver (TX-RX) locations across four factories in the New York City area and over distances from 5 m to 85 m in both line-of-sight (LOS) and non-LOS (NLOS) environments. The measurements were performed with a sliding-correlation-based channel sounder with 1 GHz RF bandwidth with steerable directional horn antennas with 27 dBi gain and 8\degree~half-power beamwidth at both TX and RX, using both vertical and horizontal antenna polarizations, yielding over 75,000 directional power delay profiles. Channel measurements of two RX heights at 1.5 m (high) emulating handheld devices and at 0.5 m (low) emulating automated guided vehicles (AGVs) were conducted for automated industrial scenarios with various clutter densities. Results yield the first path loss models for indoor factory (InF) environments at 142 GHz and show the low RX height experiences a mean path loss increase of 10.7 dB and 6.0 dB when compared with the high RX height at LOS and NLOS locations, respectively. Furthermore, flat and rotatable metal plates were leveraged as passive reflecting surfaces (PRSs) in channel enhancement measurements to explore the potential power gain on sub-THz propagation channels, demonstrating a range from 0.5 to 22 dB improvement with a mean of 6.5 dB in omnidirectional channel gain as compared to when no PRSs are present.

연구 동기 및 목표

• 실제 실내 공장 환경에서 다양한 레이아웃과 혼잡도를 가진 142 GHz 서브-THz 무선 전파 특성을 규명하기 위해.
• 공장 건물 내에서 LOS 및 NLOS 조건에 대해 방향성 및 균일 경로 손실을 모델링하기 위해.
• 특히 AGV와 같은 바닥 근처 이동 장치에 대해 수신기 높이가 경로 손실에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 공장 환경에서 서브-THz 채널 성능 향상을 위한 수동 반사 표면(PRS)의 잠재력을 평가하기 위해.
• 미래의 재구성 가능 지능 표면(RIS) 구현 및 6G 서브-THz 채널 표준화를 위한 기초 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 뉴욕 시의 네 곳의 공장에서 총 82개의 송수신 링크 측정를 수행하였으며, LOS 및 NLOS 조건에서 5–85 m 거리 범위를 커버하였다.
• 1 GHz RF 대역폭을 가진 슬라이딩 상관 기반 광대역 채널 사운더를 사용하였으며, 27 dBi 이득과 8° HPBW를 가진 조정 가능한 고성능 홀로우 안테나를 사용하였다.
• 두 수신기 높이(1.5 m, 고수준; 0.5 m, 저수준)에서 수직 및 수평 편광을 모두 고려한 방향성 측정를 수행하여 휴대기기 및 AGV를 모의하였다.
• 1 m × 1 m 평면 알루미늄 PRS를 수평 평면에서 체계적으로 회전시켜 최적의 반사 각도를 찾았으며, 이는 RIS 빔포밍을 모의한 것이다.
• 75,000개 이상의 방향성 전력 지연 프로파일을 수집하고, 동일 편광 및 교차 편광 구성에 대해 경로 손실 모델을 유도하였다.
• 자연 채널 성능와 PRS 보조 성능를 비교하여, 균일 및 방향성 경로 손실 감소 정도를 정량화하였다.

Figure 1 : TX and RX locations in Factory A. Six TX locations are denoted as stars, and 17 RX locations are denoted as circles, resulting in 27 TX-RX location pairs for channel measurements.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 실내 공장 건물에서 142 GHz에서 거리 및 환경 유형(LOS 대비 NLOS)에 따라 경로 손실은 어떻게 변하는가?
• RQ2 특히 AGV에 장착된 장치에 대해 공장 환경에서 수신기 높이(1.5 m 대비 0.5 m)가 경로 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 수동 반사 표면(PRS)이 공장 환경의 서브-THz 채널 성능 향상에 어느 정도 기여할 수 있는가?
• RQ4 PRS의 배치 및 방향이 142 GHz에서 방향성 및 균일 경로 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 서브-THz 공장 채널에서 교차 편광 분리도(XPD)의 통계적 특성은 무엇인가?

주요 결과

• 공장 내 NLOS 조건에서의 균일 경로 손실 지수(PLE)는 3.1로, 사무실(2.7) 및 도시 환경(2.9)보다 높으며, 높은 혼잡도로 인한 더 큰 경로 손실을 나타낸다.
• 저수준 수신기 높이(0.5 m)는 고수준 수신기 높이(1.5 m) 대비 LOS 조건에서 평균 10.7 dB, NLOS 조건에서 6.0 dB 더 높은 경로 손실을 경험하며, 이는 블로킹 및 산란 증가로 인한 것이다.
• 단일 PRS는 최적의 반사 방향에서 최대 37.8 dB의 방향성 경로 손실 감소를 기록했고 평균 25 dB 감소를 기록하였으며, 가장 짧은 송수신 거리에서 가장 높은 이득이 관찰되었다.
• PRS 보조 균일 채널 이득은 최대 22 dB 향상되고 최소 0.5 dB 향상되며 평균 6.5 dB 향상되어, NLOS 및 근접 고장 상황에서 뚜렷한 이점이 있음을 보여준다.
• PRS 효과는 NLOS 조건에서 가장 두드러지며, PRS를 통한 경로가 주요 경로로 부상하지만, LOS 조건에서는 다른 다중 경로 성분(MPC)이 여전히 주요 기여자로 남아 있다.
• 교차 편광 분리도(XPD)는 통계적으로 특성화되었으며, 다양한 안테나 구성에 적합한 동일 및 교차 편광 경로 손실 모델링을 지원한다.

Figure 2 : Photos taken from Factory B. The TX was set at 2.5 m, and the RX was set at 1.5 m.