[논문 리뷰] Impact of atmospheric impairments on mmWave based outdoor communication

P. Nagaraj|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 13.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 4인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 MATLAB 기반 시뮬레이션을 사용하여 강우, dense 안개, 대기 흡수와 같은 대기 조건이 밀리미터파(mmWave) 실외 통신 시스템에 미치는 영향을 조사한다. 결과적으로 강우 강도와 습도가 증가함에 따라 경로 손실이 크게 증가하며, 특히 30 GHz 이상에서 두드러지게 나타나며, 이는 실외 환경에서 5G mmWave 네트워크 구축에 있어 중요한 손상 요인임을 시사한다.

ABSTRACT

Substantial growth of demand for mobile data and rapidly increasing spread of personal communication devices such as smart phones and tablets is the major challenge faced by the mobile service providers in recent years. The allotted spectrum for the currently operating mobile communication systems have been saturated in the last few years by such a considerable rate that the future fifth generation network would not be able to operate without applying new frequencies. In accordance with the concept of 5G, millimeter wave frequency band will also be used along with the currently used frequency bands. In this particular spectrum however, a new and most significant attenuation factor due to precipitation and atmospheric absorption is introduced. In this paper the effects of precipitation, fog and atmospheric absorption on millimeter wave propagation are investigated using MATLAB.

연구 동기 및 목표

• 실외 환경에서 대기 손상이 mmWave 전파에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• mmWave 대역에서 강우, 안개, 대기 흡수로 인한 경로 손실을 정량화하기 위해.
• 실제 기상 조건 하에서 mmWave 시스템의 5G 네트워크 적용 가능성 평가하기 위해.
• 실외 시나리오에서 강건한 5G 네트워크 계획 수립을 위한 시뮬레이션 기반 통찰 제공하기 위해.

제안 방법

• 24 GHz에서 100 GHz 사이의 mmWave 대역에서 경로 손실을 MATLAB 기반으로 시뮬레이션하기 위해.
• 산소 및 수증기 흡수를 위한 ITU-R P.835-4 ITU 모델을 사용해 대기 흡수를 모델링하기 위해.
• 다양한 강우 강도(0–200 mm/h)에 대해 ITU-R P.838-3 모델을 활용해 강우 흡수를 통합하기 위해.
• 다양한 시야 범위(10–100 m)에 대해 ITU-R P.838-3 모델을 활용해 안개 흡수를 시뮬레이션하기 위해.
• 다양한 주파수에서 대기 성분에 의한 총 경로 손실을 집계하기 위해.
• 6幅의 그림을 통해 주파수 및 기상 조건에 따른 경로 손실 추세를 시각화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강우 강도가 30 GHz 이상의 mmWave 대역에서 경로 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 안개가 mmWave 실외 링크에서 신호 감쇠에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ3 산소 및 수증기 흡수로 인한 대기 흡수는 mmWave 주파수 대역에서 어떻게 변화하는가?
• RQ4 강우, 안개, 흡수의 병합 효과가 실외 시나리오에서 mmWave 링크 예산에 얼마나 심각하게 악영향을 미치는가?
• RQ5 시뮬레이션 기반 모델링을 통해 대기 손상에 가장 취약한 주요 주파수 대역을 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 강우 강도가 증가함에 따라 경로 손실이 크게 증가하며, 30 GHz 이상 주파수에서 100 mm/h 강우 시 100 dB 이상에 도달한다.
• 시야가 10미터인 안개 상태에서는 60 GHz에서 최대 20 dB/km의 추가 감쇠가 발생한다.
• 산소 공명으로 인해 60 GHz에서 대기 흡수가 최고조에 도달하며, 최대 15 dB/km의 손실이 발생한다.
• 강우, 안개, 흡수의 병합 효과로 인해 강우가 심한 조건에서 60 GHz에서 총 경로 손실이 120 dB를 초과한다.
• 60–100 GHz 대역은 가장 심각하게 영향을 받으며, 빔포밍 또는 중계기 없이 장거리 실외 mmWave 링크에 적합하지 않다.
• 24–30 GHz 대역은 상대적으로 낮은 감쇠를 보이며, 악천후 조건 하에서도 실외 mmWave 구현에 더 유리하다.