[논문 리뷰] Dynamic Double Directional Propagation Channel Measurements at 28 GHz

C. Umit Bas, Rui Wang외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 01.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 실시간, 위상일관성 있는 채널 사운더와 전자식으로 조절 가능한 위상 배열을 사용하여 28 GHz에서 처음으로 동적 双방향 mmWave 채널 측정을 수행한다. 이는 이동하는 차량과 보행자로 인한 도래각/도착각, 각도 분산 및 경로 이득의 급격한 시간적 변동을 드러내며, 동적 환경에서 링크 품질을 유지하기 위해 빔 추적 기술이 필수적임을 입증한다.

ABSTRACT

This paper presents results from the (to our knowledge) first dynamic double-directionally resolved measurement campaign at mm-wave frequencies for an outdoor microcellular scenario. The measurements are performed with USC's real-time channel sounder equipped with phased array antennas that can steer beams electrically in microseconds, allowing directional measurements in dynamic environments. Exploiting the phase coherency of the setup, the multi-path components can be tracked over time to investigate the temporal dependencies of the channel characteristics. We present results for time-varying path-loss, delay spread, mean angles and angular spreads observed at the transmitter (TX) and receiver (RX) in the presence of moving vehicles and pedestrians. Additionally, we investigate excess losses observed due to blockage by vehicles and compare the cases when TX and RX are using fixed beams or when they are capable of adjusting beam directions dynamically.

연구 동기 및 목표

• 외부 마이크로셀룰러 환경에서 28 GHz에서 처음으로 동적 이중방향 mmWave 채널 측정을 수행하기 위해.
• 이동하는 산란체에 반응하여 변화하는 경로 손실, 지연 분산, 평균 각도 및 각도 분산 등의 시간에 따라 변화하는 채널 특성에 대해 조사하기 위해.
• 이동 중인 차량과 보행자가 유도하는 차단이 경로 이득과 지연 분산에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 실시간에서 고정 빔과 동적으로 조절 가능한 빔 구성 간 성능을 비교하기 위해.
• 빔포밍 시스템 설계를 위한 각도 통계의 시간적 의존성에 대한 실증적 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 송신기 및 수신기 양측에 8×2 위상 배열 안테나를 갖춘 실시간 위상일관성 채널 사운더를 사용하여 전자식 빔 스위칭을 수행하였다.
• 400 MHz 대역폭, 801개의 톤, 500 kHz 간격의 스퍼프드 와이드밴드 웨이브폼을 사용하였으며, 펄스 지속시간은 2 μs, 버스트 반복 주기는 16.66 Hz였다.
• 10° 각도 해상도로 2 μs 이내에 빔 스위칭을 구현하여 시간에 따라 다중경로 성분을 신속하고 위상일관성 있게 추적할 수 있었다.
• 3가지 시나리오에서 측정을 수행하였다: 이동 중인 차량이 있는 라인오브사이트, 보행자가 있는 비라인오브사이트, 이동 중인 버스에 의한 라인오브사이트 차단.
• 위상일관성 신호 처리를 통해 DoA, DoD, RMS 지연 분산, 경로 이득, 도플러 이동량 등의 시간에 따라 변화하는 파rameter를 추출하였다.
• 이동 물체의 동기화된 비디오 기록을 사용하여 도플러 및 속도 추정치를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이동 중인 차량과 보행자에 반응하여 수신기에서의 도래각(DoA)과 송신기에서의 도착각(DoD)은 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 동적 mmWave 환경에서 경로 손실, 지연 분산 및 각도 분산의 시간적 행동은 어떠한가?
• RQ3 이동 중인 차량에 의한 차단은 경로 이득과 지연 분산에 어떤 영향을 미치며, 음영화의 지속 시간과 깊이는 얼마인가?
• RQ4 고정 빔과 동적으로 조절 가능한 빔 구성 간 성능 지표는 어떻게 다름이 있는가?
• RQ5 이동 중인 산란체는 mmWave 채널의 각도 및 도플러 특성에 얼마나 빠르게 변화를 유도하는가?

주요 결과

• 이동 중인 차량과 보행자로 인해 3초 간격 동안 수신기에서 평균 DoA는 -10°에서 10° 사이를 연속적으로 변동하였다.
• 동일한 간격 동안 송신기에서의 각도 분산은 12°에서 31°로 증가하였으며, 이는 상당한 산란 역학을 나타낸다.
• 이동 중인 버스로 인해 최대 24 dB의 초과 경로 손실이 발생하였으며, 이는 240 ms 동안 지속되었고, 버스 뒷부분이 지나간 후 두 번째로 270 ms 동안 더 깊은 손실이 발생하였다.
• 버스 차단 기간 동안 RMS 지연 분산은 6.5 ns에서 50 ns로 증가하였으며, 이는 다중경로 분산 증가를 반영한다.
• 최적의 빔 쌍에 대한 경로 이득은 1초 간격으로 최대 10 dB 변동하였으며, 이는 일시적인 빔 우수성의 존재를 시사한다.
• 도플러 스펙트럼은 물체 속도를 정확히 추적하였으며, 모든 이동 중인 차량과 보행자에 대해 비디오 기반 참값과 일치하는 추정치를 제공하였다.