[논문 리뷰] 3-D Statistical Indoor Channel Model for Millimeter-Wave and Sub-Terahertz Bands

Shihao Ju, Yunchou Xing외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 27.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 사무실 환경에서 광범위한 실측 측정을 기반으로 28 GHz 및 140 GHz 대역의 mmWave 및 sub-THz 대역을 위한 3차원 통계적 실내 채널 모델을 제안한다. 모델은 측정된 전력 지연 프로파일과 각도 통계를 사용하여 현실적인 채널 인가 응답을 생성하며, 시뮬레이션 결과는 LOS 및 NLOS 환경에서 시뮬레이션된 값과 측정된 값 간의 루트 평균 제곱 지연 스프레드와 각도 스프레드에서 높은 일치도를 보였다.

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) and Terahertz (THz) will be used in the sixth-generation (6G) wireless systems, especially for indoor scenarios. This paper presents an indoor three-dimensional (3-D) statistical channel model for mmWave and sub-THz frequencies, which is developed from extensive channel propagation measurements conducted in an office building at 28 GHz and 140 GHz in 2014 and 2019. Over 15,000 power delay profiles (PDPs) were recorded to study channel statistics such as the number of time clusters, cluster delays, and cluster powers. All the parameters required in the channel generation procedure are derived from empirical measurement data for 28 GHz and 140 GHz line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) scenarios. The channel model is validated by showing that the simulated root mean square (RMS) delay spread and RMS angular spread yield good agreements with measured values. An indoor channel simulation software is built upon the popular NYUSIM outdoor channel simulator, which can generate realistic channel impulse response, PDP, and power angular spectrum.

연구 동기 및 목표

• 6G 시스템 설계를 지원하기 위해 실내 사무실 환경에서 mmWave 및 sub-THz 대역을 위한 종합적인 3차원 통계적 채널 모델을 개발하기 위해.
• 미래 무선 시스템의 현실적인 모델링을 위해 140 GHz 이상에서의 실측, 와이드밴드 채널 측정 자료 부족 문제를 해결하기 위해.
• 측정 자료를 사용하여 시간적 및 공간적 채널 특성(예: 지연 스프레드, 각도 스프레드)을 정확하게 시뮬레이션할 수 있도록 하기 위해.
• 미래 6G 및 THz 통신 시스템 개발을 위한 표준화된, 측정 기반 기반의 기준 모델을 제공하기 위해.
• 시뮬레이션된 값과 측정된 값 간의 2차 통계(예: RMS 지연 스프레드, 전역 각도 스프레드) 비교를 통해 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 65.5 m × 35 m 사무실 건물에서 2014년 28 GHz 및 2019년 140 GHz에서 광대역 채널 사운딩 캠프에 참여하여 15,000개 이상의 전력 지연 프로파일(PDP)을 확보하였다.
• 스ライ딩 상관 기반 채널 사운더를 사용하여 방향성 있는 호른 안테나(28 GHz 시 15 dBi, 30° HPBW; 140 GHz 시 27 dBi, 8° HPBW)를 활용해 공간 해상도가 확보된 PDP를 측정하였다.
• LOS 및 NLOS 조건에서 실측 자료를 기반으로 대규모 경로 손실 및 소규모 통계적 파rameter(예: 클러스터 수, 클러스터 지연, 전력, 각도 스프레드)를 도출하였다.
• 각 클러스터의 지연, 전력, 각도 파rameter를 로그정규분포 및 정규분포로 모델링한 클러스터 기반 통계적 모델을 구성하였다.
• NYUSIM 시뮬레이터의 개선된 버전에 모델을 구현하여 검증을 위한 전방향 PDP 및 전력 각도 스펙트럼(PAS)을 생성하였다.
• 2차 통계인 전방향 RMS 지연 스프레드 및 전역 RMS 각도 스프레드를 사용하여, 시뮬레이션된 누적분포함수와 측정된 누적분포함수를 비교함으로써 모델을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실내 LOS 및 NLOS 환경에서 28 GHz 및 140 GHz 대역에서 시간적 및 공간적 채널 특성(예: 지연 스프레드, 각도 스프레드)은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 실측 자료를 기반으로 한 통계적 3차원 채널 모델이 RMS 지연 스프레드 및 각도 스프레드와 같은 핵심 채널 통계를 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ3 mmWave 및 sub-THz 대역에서 실내 사무실 환경에서 클러스터 지연, 전력, 각도 파rameter(AOD/AOA)의 통계적 분포는 무엇인가?
• RQ4 다양한 주파수 대역 및 전파 조건에서 시뮬레이션된 채널 성능이 RMS 지연 스프레드 및 전역 각도 스프레드 측면에서 측정된 자료와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ5 측정 기반 통계 모델이 향후 mmWave 및 sub-THz 주파수에서 방향성 및 MIMO 채널 모델링의 신뢰할 수 있는 기초로 얼마나 잘 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 시뮬레이션된 전방향 RMS 지연 스프레드는 측정값과 밀접하게 일치하였다: 28 GHz LOS 시 13.9 ns(sim) 대비 17.9 ns(meas), 28 GHz NLOS 시 12.5 ns(sim) 대비 13.5 ns(meas).
• 140 GHz에서는 LOS 시 시뮬레이션된 RMS 지연 스프레드가 3.2 ns(sim), 측정값이 3.1 ns(meas)였고, NLOS 시 5.9 ns(sim) 대비 5.7 ns(meas)였으며, 강한 일치도를 보였다.
• AOA에 대한 시뮬레이션된 전역 RMS 각도 스프레드는 28 GHz LOS, 28 GHz NLOS 및 140 GHz NLOS 시나리오에서 측정값과 5° 이내로 일치하였다.
• 140 GHz LOS 시나리오에서는 측정 횟수가 제한되어 있어 실측 분포가 비대칭이었지만, 중앙값으로서의 시뮬레이션 및 측정된 각도 스프레드는 여전히 5° 이내로 일치하였다.
• 모델은 모든 네 가지 시나리오(28 GHz LOS, 28 GHz NLOS, 140 GHz LOS, 140 GHz NLOS)에서 지연 스프레드 및 각도 스프레드의 측정 통계를 성공적으로 재현하였다.
• 표 II에 나열된 입력 파rameter들(예: 클러스터 수, 전력 감쇠, 지연 스프레드, 각도 스프레드 분산)은 현실적인 채널 인가 응답 및 각도 전력 스펙트럼을 생성하는 데 충분하였다.