[논문 리뷰] Millimeter Wave and Terahertz Urban Microcell Propagation Measurements and Models

Yunchou Xing, Theodore S. Rappaport|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 28.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 30인용 수 104

한 줄 요약

이 논문은 28–142 GHz 범위에서 도심 마이크로셀 환경에서 실시한 광범위한 실외 밀리미터파 및 테라헤르츠 전파 측정을 제시하며, 경로 손실, 지연 스프레드, 각도 스프레드를 비교한다. 이는 1m 자유공간 손실 기준으로 주파수에 관계없이 매우 유사한 경로 손실 지수를 나타내며, 기지국 간 거리 조정이 THz 대역으로 향하는 주파수 증가에 따라 필요하지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

Comparisons of outdoor Urban Microcell (UMi) large-scale path loss models, root mean square (RMS) delay spreads (DS), angular spreads (AS), and the number of spatial beams for extensive measurements performed at 28, 38, 73, and 142 GHz are presented in this letter. Measurement campaigns were conducted from 2011-2020 in downtown Austin, Texas, Manhattan (New York City), and Brooklyn, New York with communication ranges up to 930 m. Key similarities and differences in outdoor wireless channels are observed when comparing the channel statistics across a wide range of frequencies from millimeter-wave to sub-THz bands. Path loss exponents (PLEs) are remarkably similar over all measured frequencies, when referenced to the first meter free space path loss, and the RMS DS and AS decrease as frequency increases. The similar PLEs from millimeter-wave to THz frequencies imply that spacing between cellular base stations will not have to change as carrier frequencies increase towards THz, since wider bandwidth channels at sub-THz or THz carrier frequencies will cover similar distances because antenna gains increase quadratically with increasing frequency when the physical antenna area remain constant.

연구 동기 및 목표

• 28에서 142 GHz 사이의 밀리미터파 및 서브-THz 주파수에서 실외 도심 마이크로셀(UMi) 전파 특성을 규명하기 위해.
• 다양한 주파수 대역에서 대규모 경로 손실 모델, RMS 지연 스프레드, 각도 스프레드를 비교하기 위해.
• 미래 6G 시스템을 위한 채널 희소성 및 빔포밍 요구사항에 주파수가 미치는 영향을 평가하기 위해.
• THz 주파수에서 다중 대역, 고용량 무선 시스템 설계를 위한 실증 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 2011년부터 2020년까지 오스틴, 맨해튼, 브루클린에서 실시한 네 차례의 대규모 실외 측정 캠프에 기반한다. 측정 거리는 최대 930m까지 포함된다.
• 각 주파수 대역에서 회전 가능한 호른 안테나를 장착한 넓은 대역 슬라이딩 상관 기반 채널 사운딩 시스템을 사용하였다.
• 자유공간 기준 거리 모델(CI 모델)을 적용하여, 모든 주파수 간 경로 손실 비교를 표준화하기 위해 d₀ = 1 m를 사용하였다.
• 경로 손실 지수, 색잡이 퍼짐, RMS 지연 스프레드, 각도 스프레드(AOA/AOD)를 계산하기 위해 30 dB 전력 임계값을 사용하여 다중 경로 성분을 탐지하였다.
• 일체형 및 방향성 채널 모델을 모두 분석하였으며, CIF(Close-in free-space) 경로 손실 모델을 포함하였다.
• 각 주파수 대역 간 각도 통계의 비교 가능성을 확보하기 위해 일관된 안테나 빔폭(7–10°)을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실외 UMi 환경에서 28, 38, 73, 142 GHz에서 경로 손실 지수(PLE)는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 LOS 및 NLOS 환경에서 주파수가 증가함에 따라 RMS 지연 스프레드는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 주파수가 증가함에 따라 각도 스프레드(AOA 및 AOD)와 공간 경로 수는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 1m 자유공간 경로 손실 기준으로 볼 때, 서브-THz 대역의 채널 특성은 밀리미터파 대역과 얼마나 유사한가?
• RQ5 이러한 발견은 향후 6G 시스템의 기지국 간 거리 및 빔포밍 설계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 1m 자유공간 경로 손실 기준으로 28–142 GHz 범위에서 경로 손실 지수(PLE)가 매우 유사하다: 28 GHz에서 2.3, 38 GHz에서 1.9, 73 GHz에서 2.0, 142 GHz에서 2.1.
• RMS 지연 스프레드는 주파수 증가에 따라 감소한다: 28 GHz에서 26 ns, 38 GHz에서 11 ns, 73 GHz에서 23 ns, 142 GHz에서 9 ns.
• RMS 각도 스프레드(AOA 및 AOD)는 주파수 증가에 따라 감소하여 고주파 대역에서 채널이 더 희소해짐을 나타낸다: LOS 환경에서 평균 AOA 스프레드는 28 GHz에서 30.8°에서 142 GHz에서 10.1°로 감소한다.
• LOS 환경에서 AOA 방향의 평균 수는 28 GHz에서 3.6개에서 142 GHz에서 1.9개로 감소하며, NLOS 환경에서는 4.7개에서 1.6개로 감소하여 고주파 대역에서 채널 희소성이 증가함을 확인한다.
• 색잡이 퍼짐 표준편차는 주파수 증가에 따라 감소한다: 28 GHz에서 4.3 dB, 38 GHz에서 3.5 dB, 73 GHz에서 1.9 dB, 142 GHz에서 2.8 dB.
• 밀리미터파 및 서브-THz 대역 간 PLE 유사성은 안테나 개구면이 일정할 경우 기지국 간 거리 조정이 주파수 증가에 따라 필요하지 않음을 시사한다.