[논문 리뷰] 28 GHz mmWave Channel Measurements: A Comparison of Horn and Phased Array Antennas and Coverage Enhancement Using Passive and Active Repeaters

Özgür Özdemir, Fatih Erden외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 01.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 15인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 28 GHz mmWave 채널 사운더를 제시하며, 방향성 빔형성에 대해 홀로우 및 배열형 안테나를 비교하고, Metawave의 ECHO 수동 반사판과 TURBO 주도 중계기를 사용한 커버리지 향상 효과를 평가한다. ECHO는 실내에서 반사 경로 전력에 약 15 dB의 증가를, NLOS 상황에서는 TURBO와 조합 시 최대 40 dB의 이득을 제공함으로써 mmWave 링크의 신뢰성과 범위를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Propagation channel characteristics are substantially different in sub-6 GHz and millimeter-wave (mmWave) bands. A typical mmWave link experiences more than an order-of-magnitude larger path loss and is more susceptible to blockages than a traditional sub-6 GHz link. Therefore, extensive measurement campaigns with efficient channel sounders are needed for a complete understanding of the mmWave propagation channel characteristics. In addition, solutions should be sought to overcome the outage problems associated with the mmWave bands and to achieve acceptable communication performance. In this paper, our 28 GHz channel sounder is introduced that can be used with horn antennas as well as phased array antennas. The two antenna types are then compared in terms of speed they switch from one direction to another and extracted multipath component (MPC) properties, such as path gain. We then propose the use of passive reflectors and an active repeater for coverage enhancement by improving the received signal strength. In particular, ECHO reflector and TURBO repeater are introduced, and measurement results using them are presented.

연구 동기 및 목표

• 방향성 안테나를 사용한 28 GHz mmWave 전파 특성 분석 및 전력 각도-지연 프로파일(PADP) 추출.
• 기계적 빔 스위칭(홀로우 안테나)과 전자적 빔 스위칭(배열형 안테나) 간의 빔 스위칭 속도 및 다중경로 성분(MPC) 특성 측정 비교.
• 도심 및 실내 환경에서 mmWave 커버리지 공백 및 차단 문제 해결을 위한 수동 반사판과 주도 중계기를 평가.
• ECHO(Metawave의 수동 반사판)와 TURBO(주도 중계기)의 성능 향상 효과를 입증하여 mmWave 신호 범위와 신뢰성을 연장.

제안 방법

• 28 GHz에서 채널 사운딩을 위해 Zadoff-Chu(ZC) 시퀀스를 사용한 NI 기반 mmWave 채널 사운더를 구축.
• 기계적 빔 스위칭을 위한 홀로우 안테나와 전자적 빔 스위칭을 위한 배열형 안테나를 모두 mmWave 라디오 헤드에 연결.
• 다중경로 성분(MPC)의 전력 및 각도 분포를 추출하기 위해 전력 각도-지연 프로파일(PADP)을 측정.
• ECHO 수동 반사판의 성능 평가를 위해 실내 및 실외 환경에서 반사 경로 전력과 총 수신 전력 측정.
• 비선형 시각 통로 환경에서 TURBO 주도 중계기를 배치하고, 다양한 RX-TURBO 거리에서 TURBO 작동 유무에 따른 총 수신 전력 측정.
• 루비듐 시계를 사용해 송신기와 수신기를 동기화하고, 기준 분리 거리 30 m 이상을 확보하기 위해 이중 시계 설정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 28 GHz에서 홀로우 안테나와 배열형 안테나는 빔 스위칭 속도와 다중경로 성분(MPC) 추출 정확도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 ECHO와 같은 수동 반사판은 실내 및 실외 mmWave 환경에서 수신 신호 강도를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 TURBO 주도 중계기는 비선형 시각(NLOS) mmWave 환경에서 신호 커버리지와 수신 전력에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 ECHO 반사판을 사용할 경우 표준 알루미늄 반사판 대비 환경 반사 영향으로 인한 총 수신 전력에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 최적의 실내 측정 지점(c₅)에서 ECHO 수동 반사판은 알루미늄 반사판 대비 약 15 dB의 반사 경로 전력 증가를 보였다.
• 실외 환경에서는 경로 간 간섭이 적어 ECHO가 알루미늄 반사판보다 훨씬 높은 총 전력과 반사 전력을 기록했다.
• 1 m의 RX-TURBO 거리에서 TURBO 주도 중계기는 최대 39.82 dB의 수신 전력 이득을 제공하여 NLOS 조건에서 경로 손실을 감소시켰다.
• 8.5 m의 RX-TURBO 거리에서도 TURBO는 여전히 18.86 dB의 이득을 제공하여 장거리 커버리지 연장 효과를 입증했다.
• 실내 환경에서는 다중경로 반사가 총 수신 전력의 주요 기여 요소로 작용하여, 강한 반사 경로 전력에도 불구하고 상대적 향상은 제한되었다.
• 배열형 안테나를 이용한 빔포밍은 기계적 홀로우 안테나보다 더 빠른 빔 스위칭 속도를 제공하여 실시간 mmWave 채널 추적에 적합함을 입증했다.