[논문 리뷰] A Generalized Fading Model with Multiple Specular Components

Young Jin Chun|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 11.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 48인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 다중 지배적 반사파와 군집화된 확산 산란을 갖는 5G 무선 채널을 포괄적으로 기술하기 위해 다중파장 일반화 산란( MWGD) 및 변동 다중경로(FMR) fading 모델을 제안한다. 확산 성분을 일반화된 감마 분포로 모델링하고, 신호 레벨의 PDF 및 CDF에 대해 닫힌 형태의 표현식을 유도함으로써, 다양한 전파 환경을 정확히 표현하면서도 해석적 유연성을 확보하였다. 이는 실제 5G 조건에서 용량, 차단 확률, 비트 오류율과 같은 핵심 성능 지표의 성능 분석을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The wireless channel of 5G communications will have unique characteristics that can not be fully apprehended by the traditional fading models. For instance, the wireless channel may often be dominated by a finite number of specular components, the conventional Gaussian assumption may not be applied to the diffuse scattered waves and the point scatterers may be inhomogeneously distributed. These physical attributes were incorporated into the state-of-the-art fading models, such as the kappa-mu shadowed fading model, the generalized two-ray fading model, and the fluctuating two ray fading model. Unfortunately, much of the existing published work commonly imposed arbitrary assumptions on the channel parameters to achieve theoretical tractability, thereby limiting their application to represent a diverse range of propagation environments. This motivates us to find a more general fading model that incorporates multiple specular components with clusterized diffuse scattered waves, but achieves analytical tractability at the same time. To this end, we introduced the Multiple-Waves with Generalized Diffuse Scatter (MWGD) and Fluctuating Multiple-Ray (FMR) model that allow an arbitrary number of specular components and assume generalized diffuse scattered model. We derive the distribution functions of the signal envelop in closed form and calculate second order statistics of the proposed fading model. Furthermore, we evaluate the performance metrics of wireless communications systems, such as the capacity, outage probability, and average bit error rate. Through numerical simulations, we obtain important new insights into the link performance of the 5G communications while considering a diverse range of fading conditions and channel characteristics.

연구 동기 및 목표

• 유한한 지배적 반사 성분과 비정규 분포의 확산 산란이 지배하는 5G 채널을 정확히 기술하는 데에 한계가 있는 전통적인 페이딩 모델의 문제점을 해결하기 위해.
• 다중 지배적 반사파와 군집화된 확산파를 포함하면서도 해석적 유연성을 유지하는 일반화된 페이딩 모델을 개발하기 위해.
• 실제 5G 시스템에서의 성능 평가를 가능하게 하기 위해 신호 레벨의 PDF 및 CDF에 대해 닫힌 형태의 표현식을 도출하기 위해.
• 다양한 페이딩 조건 하에서의 핵심 시스템 수준 성능 지표—용량, 차단 확률, 평균 비트 오류율—을 평가하기 위해.

제안 방법

• N개의 지배적 반사 성분과 일반화된 확산 성분을 갖는 MWGD 모델을 제안하며, 이는 감마 분포를 통해 모델링된다.
• 각 지배적 반사 성분의 세기(power)가 감마 분포를 따르는 FMR 모델을 도입함으로써 변동하는 진폭을 모델링할 수 있도록 한다.
• 수정 베셀 함수와 혼합형 초기함수를 포함한 적분 표현식을 이용해 레벨 PDF 및 CDF를 유도한다.
• 모멘트 기반 근사화를 가능하게 하기 위해 일반화된 라게르 다항식의 급수 전개를 사용하여 PDF 및 CDF를 표현한다.
• 모멘트 생성 함수와 재귀적 공식을 활용하여 신호 레벨의 짝수 차수 모멘트를 계산한다.
• 일반화된 감마 분포를 사용해 확산 성분을 모델링함으로써 비레일리 행동을 허용하고 군집화 효과를 포착할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 지배적 반사 성분과 균일하지 않은 분포를 갖는 산란체를 포함하는 5G 채널을 기술하기 위해 일반화된 페이딩 모델을 어떻게 구성할 수 있는가?
• RQ2 다중 지배적 반사파와 일반화된 확산 성분을 포함하는 페이딩 모델의 레벨 PDF 및 CDF에 대해 닫힌 형태의 표현식은 무엇인가?
• RQ3 기존의 TWDP 및 GTR 모델과 비교해 볼 때, 제안된 모델은 실제 5G 측정 데이터에 대해 얼마나 잘 맞고 해석적 유연성은 어떻게 되는가?
• RQ4 군집화된 확산 산란과 비균일한 위상 분포는 차단 확률 및 BER와 같은 시스템 수준의 성능 지표에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 유도된 모델은 mmWave 및 매크로 MIMO 환경을 포함한 다양한 전파 환경에서 5G 시스템의 정확한 성능 평가를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• MWGD 및 FMR 모델은 레벨 PDF 및 CDF에 대해 닫힌 형태의 표현식을 제공하여 수치적 적분 없이도 정확한 성능 분석이 가능하다.
• FMR 모델에서 지배적 반사 성분의 세기를 감마 분포로 모델링함으로써 변동하는 경로 진폭을 모델링할 수 있으며, 고정 진폭 모델 대비 현실성 있는 표현이 향상된다.
• 유도된 PDF 및 CDF는 혼합형 초기함수와 일반화된 라게르 다항식을 사용하여 표현되며, 이는 모멘트 기반 근사화 및 효율적인 계산을 가능하게 한다.
• 모델은 제한적이거나 상관관계가 있는 산란체로 인해 중심극한정리가 적용되지 않는 군집화된 확산 산란 효과를 정확히 포착한다.
• 수치 결과는 제안된 모델이 고주파 대역에서 지배적 반사 성분이 있는 경우에 특히 높은 성능 통찰을 제공함을 보여준다.
• 특히 강한 LOS 및 군집화된 다중 경로 환경에서 기존의 TWDP 및 레일리 페이딩 모델보다 측정 데이터에 더 잘 맞는다.