[논문 리뷰] Air-to-Ground Directional Channel Sounder With 64-antenna Dual-polarized Cylindrical Array

Jorge Gomez Ponce, Thomas Choi외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 13.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 도시 환경에서 고해상도의 각도 및 전파 채널 측정을 가능하게 하는, 지상국에 64개 안테나를 갖춘 이중 편광 원통형 어레이와 드론에 장착된 송신기를 사용하는 새로운 공기-지상(A2G) 방향성 매크로 MIMO 채널 사운더를 제시한다. 시스템은 빠른 샘플링으로 안정적인 위상 및 진폭 측정을 달성하였으며, 15–22 dB의 안테나 쌍 간 상관관계와 약 1.3 ns의 RMS 시간 지연 스프레드를 보이며 강력한 시선 간 통로(LOS) 특성을 입증하여 향후 드론 기반 매크로 MIMO 네트워크 설계의 능력을 입증한다.

ABSTRACT

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), popularly called drones, are an important part of future wireless communications, either as user equipment that needs communication with a ground station, or as base station in a 3D network. For both the analysis of the "useful" links, and for investigation of possible interference to other ground-based nodes, an understanding of the air-to-ground channel is required. Since ground-based nodes often are equipped with antenna arrays, the channel investigations need to account for it. This study presents a massive MIMO-based air-to-ground channel sounder we have recently developed in our lab, which can perform measurements for the aforementioned requirements. After outlining the principle and functionality of the sounder, we present sample measurements that demonstrate the capabilities, and give first insights into air-to-ground massive MIMO channels in an urban environment. Our results provide a platform for future investigations and possible enhancements of massive MIMO systems.

연구 동기 및 목표

• 도시 환경에서 매크로 MIMO 시스템을 위한 고정밀, 실시간 공기-지상(A2G) 채널 사운더를 개발하는 것.
• 드론과 지상에 위치한 64개 안테나를 갖춘 이중 편광 원통형 어레이 간의 방향성 채널 특성 측정을 정확히 수행하는 것.
• 드론의 운동(정지 대비 항공 정지)이 채널 측정의 안정성과 분산에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 향후 대규모 측정 및 드론 기반 3차원 매크로 MIMO 네트워크 설계를 위한 플랫폼을 제공하는 것.
• 도시 A2G 환경에서 각도 전력 분포, 지연 스프레드, 상관 행렬과 같은 핵심 전파 파rameter를 특성화하는 것.

제안 방법

• 사운더는 드론에 장착된 송신기(DJI Matrice 600 Pro)와 지상에 위치한 64개 안테나를 갖춘 이중 편광 원통형 어레이를 사용하여 수평(H) 및 수직(V) 편광 방식으로 신호를 동시에 수신한다.
• 기본대역 신호 처리에는 소프트웨어 정의 신호 장치(USRP, NI USRP 2901)를 사용하며, GPS 보정 시계와 전용 제어기(Intel NUC)를 통해 정밀한 동기화를 확보한다.
• 시스템은 3.5 GHz의 로어 주파수와 20 MHz 대역폭을 사용하며, 다중 경로 환경에서의 심벌 간 간섭을 완화하기 위해 16타프 사이클릭 프리픽스를 적용한다.
• 후처리 단계로는 빔포밍과 푸리에 분석을 수행하여 측정된 채널 인파르스 응답에서 각도 전력 분포, 지연 스프레드, 공간 상관 행렬을 추정한다.
• 고유의 원격 통신 링크를 통해 드론에서 지상국으로 실시간 데이터 전송을 지원하여 동적 측정 캠프에 적합하다.
• 채널 상호보상 원리를 활용하여 드론-지상 및 지상-드론 링크 모두에 대해 측정 결과가 유효함을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도시 환경에서 드론의 위치와 방향에 따라 A2G 채널의 각도 전력 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 드론의 항공 정지 상태와 정지 상태가 측정된 채널 파rameter의 통계적 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 근처 건물, 특히 유리 창문에서의 반사와 같은 다중 경로 성분(MPC)은 시선 간 통로(LOS) 조건에서 채널 응답에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 A2G 채널의 공간 상관성과 지연 스프레드 특성은 기존 모델과 비교해 어떻게 다른가, 특히 고유값 스프레드와 일관성 대역폭 측면에서 어떻게 평가되는가?
• RQ5 64개 안테나를 갖춘 이중 편광 원통형 어레이는 고각도 해상도로 A2G 채널의 방향성 성분을 얼마나 잘 해상할 수 있는가?

주요 결과

• 각도 전력 분포는 드론 방향으로 강하게 집중되어 있으며, 안테나 방향과 지지대에서의 근접장 효과로 인해 V-편광 전력이 H-편광보다 약 12 dB 높게 나타났다.
• RMS 지연 스프레드는 정지 상태에서 평균 -78.52 dBs, 항공 정지 상태에서 평균 -79.44 dBs로 측정되었으며, 선형 척도로 약 1.3 ns에 해당하여 LOS 조건에서 다중 경로 스프레드가 낮음을 시사한다.
• 공간 상관 계수 γ₁₂와 γ₁₄는 정지 상태에서 각각 15.52 dB 및 19.76 dB, 항공 정지 상태에서 각각 17.9 dB 및 22.32 dB로 측정되어 LOS 조건에서 강한 상관성을 확인하였으며, 고유값 스프레드 50 dB로 인해 조건이 나쁜 상관 행렬임을 시사한다.
• 공간 상관 행렬 Rᵢ의 고유값 분포는 약 50 dB의 다이나믹 레인지(동적 범위)를 보이며, LOS 전파 조건과 일치하는 높은 공간 상관성과 낮은 질량을 확인한다.
• 경로 측정 중, 드론이 남쪽과 서쪽으로 이동함에 따라 첫 번째 구간에서 Olin Hall of Engineering 건물의 직접 LOS 및 반사로 인해 컬럼 12–8에서 최고 전력이 관측되었으며, 이후 컬럼 1–3 및 13–16으로 전력이 이동하였다.
• 최종 구간에서는 직접 LOS와 창문 반사로 인해 컬럼 16–9에서 강한 전력이 관측되어 어레이가 높은 각도 해상도로 방향성 성분을 잘 해상할 수 있음을 확인하였다.