[논문 리뷰] Indoor Coverage Enhancement for mmWave Systems with Passive Reflectors: Measurements and Ray Tracing Simulations

Wahab Khawaja, Özgür Özdemir외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 19.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 28 GHz에서 실내 비선시각(Non-Line-of-Sight, NLOS) 환경에서 수동 금속 반사판을 사용하여 mmWave 커버리지 성능을 향상시키는 것을 제안한다. 소프트웨어 정의 무선 측정 및 레이 트레이싱 시뮬레이션을 통해, 33×33인치 이내의 정사각형 반사판이 반사판 없음 조건 대비 중앙값 수신 전력 이득을 약 20 dB 확보함을 입증하였으며, 곡선 반사판은 커버리지 장애를 추가로 감소시킴을 확인하였다.

ABSTRACT

The future 5G networks are expected to use millimeter wave (mmWave) frequency bands, mainly due to the availability of large unused spectrum. However, due to high path loss at mmWave frequencies, coverage of mmWave signals can get severely reduced, especially for non-line-of-sight (NLOS) scenarios. In this work, we study the use of passive metallic reflectors of different shapes/sizes to improve mmWave signal coverage for indoor NLOS scenarios. Software defined radio based mmWave transceiver platforms operating at 28 GHz are used for indoor measurements. Subsequently, ray tracing (RT) simulations are carried out in a similar environment using Remcom Wireless InSite software. The cumulative distribution functions of the received signal strength for the RT simulations in the area of interest are observed to be reasonably close with those obtained from the measurements. Our measurements and RT simulations both show that there is significant (on the order of 20 dB) power gain obtained with square metallic reflectors, when compared to no reflector scenario for an indoor corridor. We also observe that overall mmWave signal coverage can be improved utilizing reflectors of different shapes and orientations.

연구 동기 및 목표

• 높은 경로 손실로 인해 발생하는 실내 비선시각(NLOS) 환경에서의 심각한 mmWave 신호 감쇠 문제를 해결한다.
• 액티브 리피터의 유지보수 비용과 복잡성을 피하기 위해 수동 금속 반사판을 mmWave 커버리지 향상의 저비용, 유지보수 불필요한 대안으로 조사한다.
• 실제 실내 복도 환경에서 반사판의 형상, 크기, 방향이 수신 신호 강도에 미치는 영향을 평가한다.
• 실측 데이터와의 비교를 통해 레이 트레이싱 시뮬레이션의 정확성을 검증하여 커버리지 성능 예측 능력을 확보한다.
• 특히 그림자 영역에서 커버리지 사각지대를 최소화하기 위해 반사판 기하구조를 최적화한다.

제안 방법

• 실내 복도에서 National Instruments PXI 소프트웨어 정의 무선 플랫폼을 사용하여 28 GHz에서 실세계 mmWave 채널 측정을 수행하였다.
• 다양한 크기와 방향을 가진 평면형, 실린더형, 구형, 곡선형 금속 반사판을 도입하여 신호 전파에 미치는 영향을 평가하였다.
• Remcom Wireless InSite 소프트웨어를 사용하여 신호 전파를 모델링하고 측정 데이터와 비교하는 레이 트레이싱 시뮬레이션을 수행하였다.
• 다양한 반사판 구성 조건에서 수신 신호 강도의 누적분포함수(CDF)를 사용하여 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 정량적으로 비교하였다.
• 빔 분산을 향상시키고 커버리지 사각지대를 줄이기 위해 5° 및 10° 곡률 각을 가진 곡선 반사판을 설계하여 반사판 기하구조를 최적화하였다.
• 안테나 방사 패턴과 반사판 거리가 반사 효율성과 커버리지 균일성에 미치는 영향을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 28 GHz에서 실내 비선시각(NLOS) 환경에서 수동 금속 반사판은 mmWave 신호 커버리지에 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 반사판의 크기, 형상, 방향은 수신 신호 강도와 커버리지 균일성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 레이 트레이싱 시뮬레이션은 반사판이 있는 실세계 mmWave 전파 거동을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 실내 복도의 그림자 영역에서 커버리지 장애를 최소화하기 위해 어떤 반사판 기하구조가 가장 효과적인가?
• RQ5 반사판 없음 기준 대비 수동 반사판을 사용할 경우 도달 가능한 최대 수신 전력 이득은 얼마인가?

주요 결과

• 24×24인치 및 33×33인치 정사각형 금속 반사판을 사용할 경우 반사판 없음 조건 대비 중앙값 수신 전력 이득 약 20 dB를 확보하였다.
• 45° 아즈임 각도에서 24×24인치 반사판이 가장 높은 수신 전력 이득을 기록하여 방향성 반사에 최적의 정렬임을 나타내었다.
• 레이 트레이싱 시뮬레이션 결과는 수신 신호 강도의 측정 CDF와 밀도 있는 일치를 보였으며, 반사판이 있는 mmWave 전파 전파 예측에 대해 시뮬레이션 모델의 정확성을 검증하였다.
• 실린더형 및 구형 반사판은 평면 반사판 대비 커버리지 장애를 감소시켰지만, 측정 및 시뮬레이션 결과 간 성능 격차가 존재하였다.
• 10° 곡선 반사판은 5° 곡선 반사판보다 상단 왼쪽 수신 격자 영역에서 장애를 더 잘 줄여, 더 우수한 레이 분산 성능을 보였다.
• 반사판 크기를 일정 수준 이상으로 늘릴 경우 반사 이득 향상에 대한 수익 감소 현상이 나타나, 전력 수집에 포화 효과가 있음을 시사하였다.