[논문 리뷰] Indoor Wireless Channel Properties at Millimeter Wave and Sub-Terahertz Frequencies

Yunchou Xing, Ojas Kanhere외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 26.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 24인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 좁은 빔을 가진 호ーン 안테나를 장착한 슬라이딩 상관 채널 사운더를 사용하여 28, 73, 및 140 GHz에서 광대역 실내 채널 측정을 수행하며, 반사, 산산조각 내림, 파artition 손실 및 경로 손실을 특성화한다. 주요 발견 결과로는 반사 손실이 주파수와 입사각이 증가할수록 감소하고, 건식벽체는 피크보다 20 dB 이상 낮은 산산조각 내림을 보이며 거의 반사면으로 간주될 수 있으며, 주파수 간에 경로 손실 지수는 유사하게 유지되어 140 GHz까지 대규모 전파 거동이 일관됨을 시사한다. 이는 대기 흡수 증가에도 불구하고 성립한다.

ABSTRACT

This paper provides indoor reflection, scattering, transmission, and large-scale path loss measurements and models, which describe the main propagation mechanisms at millimeter wave and Terahertz frequencies. Channel properties for common building materials (drywall and clear glass) are carefully studied at 28, 73, and 140 GHz using a wideband sliding correlation based channel sounder system with rotatable narrow-beam horn antennas. Reflection coefficient is shown to linearly increase as the incident angle increases, and lower reflection loss (e.g., stronger reflections) are observed as frequencies increase for a given incident angle. Although backscatter from drywall is present at 28, 73, and 140 GHz, smooth surfaces (like drywall) are shown to be modeled as a simple reflected surface, since the scattered power is 20 dB or more below the reflected power over the measured range of frequency and angles. Partition loss tends to increase with frequency, but the amount of loss is material dependent. Both clear glass and drywall are shown to induce a depolarizing effect, which becomes more prominent as frequency increases. Indoor propagation measurements and large-scale indoor path loss models at 140 GHz are provided, revealing similar path loss exponent and shadow fading as observed at 28 and 73 GHz. The measurements and models in this paper can be used for future wireless system design and other applications within buildings for frequencies above 100 GHz.

연구 동기 및 목표

• 미래 세대 무선 시스템을 위한 밀리미터파 및 서브테라헤르츠 대역(28–140 GHz)에서 실내 전파 메커니즘을 특성화하기 위해.
• 건식벽체 및 투명 유리와 같은 일반적인 건축 자재의 반사, 산산조각 내림 및 투과 특성을 측정하고 모델링하기 위해.
• 다양한 주파수 및 편광 상태에서 실내 환경에서의 파artition 손실 및 편광 분해 효과를 정량화하기 위해.
• 향후 시스템 설계를 지원하기 위해 LoS 및 NLoS 조건에서 140 GHz에서의 대규모 경로 손실 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 28, 73, 및 140 GHz에서 채널 인풋 응답을 측정하기 위해, 회전 가능한 좁은 빔 호른 안테나를 장착한 광대역 슬라이딩 상관 기반 채널 사운더를 사용하였다.
• 측정된 데이터로부터 최소 평균 제곱 오차(MMSE) 추정을 이용해 반사 및 산산조각 내림 계수를 추정하였다.
• 표면 전기적 특성을 기반으로 산산조각 내림된 전력 예측을 위해 双림역 이중 산산조각 내림(DS) 모델을 적용하였다.
• 편광 분해 효과를 평가하기 위해 네 가지 편광 구성(V-V, V-H, H-V, H-H)을 사용하여 파artition 손실을 측정하였다.
• 실제 사무실 환경에서 제어된 송신/수신 안테나 위치 및 방향을 갖춘 142 GHz에서 실내 전파 측정을 수행하였다.
• 가장 가까운 간섭(Closest-Interference, CI) 모델을 사용하여 대규모 경로 손실 모델을 유도하였으며, LoS 및 NLoS 링크에 대해 경로 손실 지수(PLE) 및 색잡이 퍼짐(σ)을 피팅하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀리미터파 및 서브테라헤르츠 대역에서 건식벽체의 반사 계수는 주파수와 입사각에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ2 28, 73, 및 140 GHz에서 건식벽체의 산산조각 내림은 주된 반사 신호에 비해 얼마나 중요한가?
• RQ3 투명 유리 및 건식벽체의 파artition 손실 및 편광 분해 효과는 주파수 및 편광 구성에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 140 GHz에서 LoS 및 NLoS 실내 링크의 대규모 경로 손실 특성(경로 손실 지수 및 색잡이 퍼짐)은 어떠한가?
• RQ5 경로 손실 및 신호 열화 측면에서 140 GHz의 전파 특성은 28 및 73 GHz의 특성과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 건식벽체에서의 반사 손실은 주파수와 입사각이 증가할수록 감소하며, 140 GHz에서 0.4 dB에서 9.8 dB 사이로 변화하여 고주파수에서 더 강한 반사를 나타낸다.
• 건식벽체에서의 산산조각 내림은 피크 반사 전력보다 20 dB 이상 낮아, 채널 모델링에서 건식벽체를 단순한 반사면으로 사용하는 것이 타당함을 입증한다.
• 이중 림역 이중 산산조각 내림(DS) 모델은 알려진 표면 전기적 특성을 이용해 산산조각 내림된 전력을 정확히 예측할 수 있다.
• 건식벽체 및 투명 유리의 파artition 손실은 편광에 따라 달라지며, 교차 편광 구성에서 예상보다 낮은 손실을 보이며 편광 분해 효과가 있음을 나타낸다.
• LoS 링크의 경로 손실 지수(PLE)는 28 GHz에서 1.7, 73 GHz에서 1.6, 142 GHz에서 2.0이며, 142 GHz에서 약간 더 높은 경로 손실이 관찰되어 대기 흡수의 영향일 가능성이 있다.
• 색잡이 퍼짐은 주파수 간에 유사하며, NLoS 경로 손실 모델은 유사한 PLE 및 σ 값을 보이며, 140 GHz까지 일관된 대규모 전파 거동이 유지됨을 시사한다.