[논문 리뷰] Channel Measurement and Path-Loss Characterization for Low-Terahertz Indoor Scenarios

Jia He, Yi Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 01.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실내 환경에서 140 GHz 및 220 GHz에서 광대역 채널 측정을 수행하며, 대규모 fading을 특성화하기 위해 단일 주파수 및 다중 주파수 경로 손실 모델을 개발한다. ABG 모델은 CIF 모델을 능가하며, 비선형 시야 조건에서 간섭형 빔 결합 기법이 경로 손실 지수를 2.59에서 1.36으로 감소시킨다.

ABSTRACT

TeraHertz (THz) communications are envisioned as a promising technology, owing to its unprecedented multi-GHz bandwidth. In this paper, wideband channel measurement campaigns at 140 GHz and 220 GHz are conducted in indoor scenarios including a meeting room and an office room. Directional antennas are utilized and rotated for resolving the multi-path components (MPCs) in the angular domain. Comparable path loss values are achieved in the 140 and 220 GHz bands. To investigate the large-scale fading characteristics for indoor THz communications, single-band close-in path loss models are developed. To further analyze the dependency on the frequency, two multi-band path loss models are analyzed, i.e., alpha-beta-gamma (ABG) and multi-frequency CI model with a frequency-weighted path loss exponent (CIF), between which the ABG model demonstrates a better fit with the measured data. Moreover, a coherent beam combination that constructively sums the signal amplitudes from various arrival directions can significantly reduce the path loss, in contrast with a non-coherent beam combination.

연구 동기 및 목표

• 140 GHz 및 220 GHz에서 저테라헤르츠 실내 채널의 대규모 fading을 특성화하기 위해.
• 실측 데이터를 바탕으로 단일 대역 및 다중 대역 경로 손실 모델을 개발하기 위해.
• 비선형 시야 조건에서 빔 결합 기법이 경로 손실에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 경로 손실의 주파수 의존성 분석과 파이프웨이브 전파와 같은 환경적 영향 요인 규명하기 위해.

제안 방법

• 140 GHz(13 GHz 대역폭) 및 220 GHz(8 GHz 대역폭)에서 벡터 네트워크 분석기를 사용해 광대역 채널 사운딩을 수행하였다.
• 제어된 각도 스캔(10° 간격)을 수행하는 방향성 허브 안테나를 활용해 수직 및 수평 방향의 다중 경로 성분을 해상도 있게 분리하였다.
• 하드웨어에 기인한 왜곡과 경로 손실 편향을 제거하기 위해 측정 시스템을 캘리브레이션하였다.
• 스캔 각도에 걸친 평균화된 채널 전달 함수(CTF)를 이용해 전방위 및 최적 방향 경로 손실 모델을 유도하였다.
• 두 가지 다중 주파수 경로 손실 모델을 평가: 알파-베타-감마(ABG) 모델과 주파수 가중 지수를 적용한 다중 주파수 근접 모델(CIF).
• 다양한 방향에서의 신호 진폭 또는 세기를 합산하여 간섭형 및 비간섭형 빔 결합 방식을 비교함으로써 경로 손실 감소 효과를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실내 회의실, 사무실 구역, 복도 및 비선형 시야 조건에서 140 GHz와 220 GHz 간 경로 손실 특성의 차이점은 무엇인가?
• RQ2 저테라헤르츠 실내 채널에서 측정된 데이터에 대해 ABG 모델과 CIF 모델 중 어느 것이 더 적합한가?
• RQ3 비선형 시야 조건에서 간섭형 빔 결합이 비간섭형 빔 결합 대비 경로 손실을 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 파이프웨이브 효과 및 벽 반사와 같은 환경적 요인이 경로 손실 지수에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 복도 환경에서 경로 손실 지수(PLE)는 가장 낮았으며(140 GHz에서 1.86), 파이프웨이브 유사 전파 효과로 기인한다.
• 220 GHz에서의 PLE는 140 GHz보다 높아, 실내 환경에서 경로 손실의 주파수 의존성이 양의 성향을 띤다는 것을 확인하였다.
• ABG 모델은 측정 데이터에 대해 뛰어난 적합도를 보였으며, 결정계수 R² 값은 0.80에서 0.91의 범위를 보였고, CIF 모델(0.52~0.89)을 능가하였다.
• 140 GHz에서 비선형 시야 조건에서 간섭형 빔 결합을 통해 다섯 개의 강력한 빔을 결합함으로써 PLE가 2.59에서 1.36으로 감소하였다.
• 비간섭형 빔 결합은 다섯 개의 빔을 사용했을 때 PLE가 2.01로 높아져 신호 결합 효율이 떨어지는 것으로 나타났다.
• 간섭형 결합 조건에서 더 많은 빔을 결합할수록 그림자 편차 표준편차가 감소하여, N=1일 때 5.72 dB에서 N=5일 때 3.10 dB로 감소하였다.