[논문 리뷰] 3GPP-Like GBSM THz Channel Characterization, Modeling, and Simulation Based on Experimental Observations

Zhaowei Chang, Jianhua Zhang외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 24.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 실내 사무실 환경에서 100 GHz 및 도시 마이크로셀룰러 환경에서 132 GHz에서의 광범위한 측정 기반으로, 3GPP 유사 기하학적 스토케스틱 모델(GBSM)을 테라헤르츠(THz) 채널에 대해 제안한다. 주요 대규모 매개변수인 경로 손실, 지연 스프레드, 각도 분산, 클러스터 수, K-팩터를 추출하고 모델링하여, 3GPP mmWave 모델보다 훨씬 적은 클러스터 수와 흐린 다중경로 성분을 보이며, 특히 비선시각(Non-Line-of-Sight, NLoS) 조건에서 더 낮은 에르고딕 용량을 초래함을 확인하였다.

ABSTRACT

Terahertz (THz) communication is envisioned as one of the possible technologies for the sixth-generation (6G) communication system due to its rich spectrum. To evaluate the performance of THz communication, it is essential to propose THz channel models within the common framework of the geometry-based stochastic model (GBSM) in the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). This paper focuses on THz channel modeling and simulation by a 3GPP-like GBSM, based on channel measurements. We first present channel measurements at 100 GHz in an indoor office scenario and 132 GHz in an urban microcellular scenario. Subsequently, channel characteristics such as path loss, delay spread, angle spread, K-factor, cluster characteristic, cross-correlations, and correlation distances are obtained and analyzed based on channel measurement. Additionally, the channel characteristics are modeled by the statistical distribution of 3GPP channel models, which can be used to reconstruct the channel impulse response (CIR). Furthermore, these obtained distributions are studied referring to the default models in the 3GPP, revealing the channel sparsity in the THz channel. For instance, in the case of line-of-sight links in the indoor office, the mean of the measured cluster number is 4 while the default value is 15. Finally, we propose the THz channel model and its simulation framework to reconstruct CIRs based on the obtained models, which aim at characterizing the sparser THz channels. The obvious channel sparsity is characterized in both scenarios, as the Gini factors obtained by the proposed model only have the maximum deviation of 0.04 for those of the measurement. Overall, these findings are helpful in understanding and modeling the THz channel, facilitating the application of THz communication techniques for 6G.

연구 동기 및 목표

• 6G 시스템을 위한 표준화되고 측정 기반의 THz 채널 모델이 실내 및 도시 마이크로셀룰러 환경에서 부족한 점을 보완하기 위해.
• 실제 100 GHz 및 132 GHz에서의 THz 채널 측정 데이터를 기반으로 3GPP 유사 대규모 매개변수(경로 손실, 지연 스프레드, 각도 분산, 클러스터 수, K-팩터)를 추출하고 통계적으로 모델링하기 위해.
• 측정된 매개변수를 활용한 GBSM 구현 프레임워크를 개발하여 THz 채널 인터폴레이션 응답의 정확한 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 측정된 THz 모델과 3GPP mmWave 모델 간의 성능를 비교하여, 특히 에르고딕 용량과 다중경로 풍부성 측면에서의 차이를 분석하기 위해.
• 고주파수 대역이 채널 용량과 클러스터 분포에 미치는 영향을 정량화하여 6G 시스템 설계에 참고 자료를 제공하기 위해.

제안 방법

• 실내 사무실 환경(100 GHz)과 도시 마이크로셀룰러 환경(132 GHz)에서 선시각(LoS) 및 비선시각(NLoS) 조건에서 광범위한 THz 채널 측정을 수행하였다.
• 3GPP 유사 대규모 매개변수를 추출: 경로 손실(근접-초기 모델로 모델링), 지연 스프레드(DS), 각도 분산(ASA), 클러스터 수, K-팩터.
• DS 및 ASA는 로그정규분포를 사용하여 통계 모델링하였으며, 클러스터 수 및 K-팩터는 3GPP 모델과의 분포 차이를 분석하였다.
• 측정된 매개변수를 기반으로 클러스터별 레이 트레이싱 및 상관관계 모델링을 구현한 GBSM 프레임워크를 구축하여 채널 인터폴레이션 응답을 시뮬레이션하였다.
• 에르고딕 용량은 MIMO 용량 공식을 사용하여 평가하였다: $ C = \text{log}_2 \text{det}\big(I_{M_r} + \frac{\rho}{M_t} H H^H\big) $, 16×16 기지국 및 2×2 사용자 장비 안테나를 사용하였다.
• 3.5 GHz, 28 GHz, 100 GHz, 132 GHz 대역에서 측정된 매개변수를 사용한 시뮬레이션된 에르고딕 용량을 3GPP ITU 모델과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실내 및 도시 마이크로셀룰러 환경에서의 실제 THz 채널 매개변수(경로 손실, 지연 스프레드, 각도 분산, 클러스터 수, K-팩터)가 100 GHz 및 132 GHz에서 3GPP mmWave 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 측정된 THz 채널 매개변수를 가장 잘 설명하는 통계 분포는 무엇이며, 3GPP 가정과의 차이는 어떠한가?
• RQ3 THz 채널에서의 다중경로 성분 수와 클러스터 분포는 mmWave 대역 대비 시스템 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 측정된 매개변수를 사용할 때, 캐리어 주파수와 전파 환경(LoS 대비 NLoS)이 THz 대역에서의 에르고딕 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 측정된 THz 매개변수를 기반으로 한 GBSM 프레임워크는 채널 행동을 정확히 시뮬레이션하고 시스템 성능을 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 실내 사무실 환경에서 선시각(LoS)의 평균 지연 스프레드(DS)는 -8.82 lg(s), 비선시각(NLoS)은 -8.10 lg(s)였으며, 도시 마이크로셀룰러(UMi) 환경에서는 LoS가 -8.05 lg(s), NLoS가 -8.53 lg(s)였으며, 모두 3GPP 모델 값보다 작았다.
• 실내 사무실에서 선시각(LoS)의 각도 분산(ASA) 분산은 0.21 lg(°), 비선시각(NLoS)은 0.11 lg(°)였고, UMi 환경에서는 LoS가 0.28 lg(°), NLoS가 0.23 lg(°)였으며, 이는 3GPP 모델 대비 더 좁은 각도 분산을 나타내었다.
• 실내 사무실에서는 LoS 시 4개, NLoS 시 5개의 클러스터를 관측하였고, UMi 환경에서는 LoS 시 4개, NLoS 시 3개의 클러스터를 관측하였으며, 이는 3GPP의 실내(15/19) 및 UMi(12/19) 클러스터 수보다 현저히 낮았다.
• THz 채널의 다중경로 성분(MPCs)은 3GPP mmWave 모델 대비 더 흐리고 덜 풍부하며, 클러스터 수가 적고 각도 분산이 감소하였다.
• 주파수 증가에 따라 에르고딕 용량이 감소하였다: 측정된 THz 모델은 특히 NLoS 조건에서 가장 낮은 용량을 예측하였는데, 이는 클러스터 수가 적고 반사 기반 전파가 제한되었기 때문이다.
• 외부 도시 마이크로셀룰러(UMi) 환경은 실내 사무실 환경보다 더 높은 에르고딕 용량을 보였으며, 혼합 LoS/NLoS 링크에서 더 많은 MPCs 덕분이었고, 3GPP 모델은 측정된 매개변수 대비 성능을 과대평가하였다.