[논문 리뷰] Millimeter Wave and Sub-Terahertz Spatial Statistical Channel Model for an Indoor Office Building

Shihao Ju, Yunchou Xing외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 31.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 45인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 광범위한 측정을 기반으로 산업용 사무실 환경에서 mmWave 및 sub-THz 주파수(28 GHz 및 140 GHz)를 위한 3차원 공간 통계적 채널 모델을 제안한다. 시간 클러스터는 포isson 분포로 모델링하고 클러스터 내 부분 경로는 복합 지수 분포로 모델링하여 NYUSIM 기반의 오mnidirectional, 방향성 및 MIMO 채널을 150 GHz 이하로 정확하게 시뮬레이션할 수 있으며, 측정된 RMS 지연 및 각도 분산 통계와 높은 일치도를 보인다.

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) and sub-Terahertz (THz) frequencies are expected to play a vital role in 6G wireless systems and beyond due to the vast available bandwidth of many tens of GHz. This paper presents an indoor 3-D spatial statistical channel model for mmWave and sub-THz frequencies based on extensive radio propagation measurements at 28 and 140 GHz conducted in an indoor office environment from 2014 to 2020. Omnidirectional and directional path loss models and channel statistics such as the number of time clusters, cluster delays, and cluster powers were derived from over 15,000 measured power delay profiles. The resulting channel statistics show that the number of time clusters follows a Poisson distribution and the number of subpaths within each cluster follows a composite exponential distribution for both LOS and NLOS environments at 28 and 140 GHz. This paper proposes a unified indoor statistical channel model for mmWave and sub-Terahertz frequencies following the mathematical framework of the previous outdoor NYUSIM channel models. A corresponding indoor channel simulator is developed, which can recreate 3-D omnidirectional, directional, and multiple input multiple output (MIMO) channels for arbitrary mmWave and sub-THz carrier frequency up to 150 GHz, signal bandwidth, and antenna beamwidth. The presented statistical channel model and simulator will guide future air-interface, beamforming, and transceiver designs for 6G and beyond.

연구 동기 및 목표

• 6G 시스템 설계를 지원하기 위해 실내 사무실 환경에서 mmWave 및 sub-THz 주파수를 위한 통합 통계적 채널 모델을 개발하는 것.
• 광범위한 28 GHz 및 140 GHz 측정을 통해 경로 손실, 시간 클러스터 및 부분 경로 분포를 특성화하는 것.
• NYUSIM 프레임워크를 사용하여 28–150 GHz 범위에서 오mnidirectional, 방향성 및 MIMO 채널을 정확하게 시뮬레이션할 수 있도록 하는 것.
• 측정된 RMS 지연 분산 및 각도 분산 통계와의 비교를 통해 모델을 검증하는 것.
• mmWave 및 sub-THz 대역에서 LOS 및 NLOS 조건에 대한 실증 통계 및 분포 피팅을 제공하는 것.

제안 방법

• 실내 사무실 환경에서 28 GHz 및 140 GHz에서 15,000건 이상의 전력 지연 프로파일(PDP) 측정을 실시하였다.
• 자유공간 손실 및 거리에 따른 경로 손실 지수를 고려한 오mnidirectional 및 방향성 경로 손실 모델을 유도하였다.
• 시간 클러스터 수를 포isson 분포로 모델링하고, 클러스터당 부분 경로 수를 복합 지수 분포로 모델링하였다.
• 측정된 통계를 사용하여 NYUSIM 3.0 실내 채널 시뮬레이터를 校정하여 합성 PDP 및 APS 샘플을 생성하였다.
• 측정된 값과 비교하여 시뮬레이션된 보조 통계(예: RMS 지연 분산 및 각도 분산)를 LOS 및 NLOS 시나리오 전반에 걸쳐 검증하였다.
• 28 GHz 및 140 GHz에 대한 실증 통계를 포함한 파rameter 표(표 VI 및 표 VII)를 제공하여 경로 손실, 클러스터 수, 부분 경로 수 및 지연 분산을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 28 GHz 및 140 GHz에서 LOS 및 NLOS 조건에서 시간 클러스터 및 부분 경로 분포는 어떻게 달라지나?
• RQ2 실내 사무실 환경에서 28 GHz 및 140 GHz에서 경로 손실 행동은 어떻게 되며, 특히 첫 번째 미터 자유공간 손실을 제거한 후에는 어떻게 되나?
• RQ3 통합 통계적 채널 모델이 실내 환경에서 mmWave 및 sub-THz 주파수를 정확하게 표현할 수 있는가?
• RQ4 NYUSIM 시뮬레이터가 측정된 RMS 지연 분산 및 각도 분산 통계를 어느 정도 정확하게 재현하는가?
• RQ5 28 GHz 대비 140 GHz에서 주파수 증가에 따라 관측된 부분 경로 수는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 28 GHz 및 140 GHz에서 LOS 및 NLOS 환경 모두에서 시간 클러스터 수는 포isson 분포를 따른다.
• 모든 주파수 대역 및 전파 조건에서 각 클러스터 내 부분 경로 수는 복합 지수 분포를 따른다.
• 140 GHz에서는 관측된 전체 부분 경로 수가 28 GHz보다 현저히 적어, 더 높은 경로 손실과 감소한 다중 경로 풍부성가 나타난다.
• 첫 번째 미터 자유공간 손실을 제거한 후 28 GHz 및 140 GHz에서 NLOS 경로 손실 지수는 유사하여 동일한 경로 손실 스케일링을 나타낸다.
• NYUSIM 3.0에서 유도된 시뮬레이션된 RMS 지연 분산 및 각도 분산 값은 LOS 및 NLOS 시나리오 전반에서 측정된 통계와 높은 일치도를 보인다.
• 통합 통계 모델을 통해 임의의 mmWave 및 sub-THz 주파수(최대 150 GHz)에서 오mnidirectional, 방향성 및 MIMO 채널을 정확하게 생성할 수 있다.