[논문 리뷰] Millimeter-Wave Distance-Dependent Large-Scale Propagation Measurements and Path Loss Models for Outdoor and Indoor 5G Systems

Shu Sun, George R. MacCartney외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 23.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 뉴욕 맨해튼의 도심 마이크로셀룰러 및 실내 사무실 환경에서 28 GHz 및 73 GHz 대역의 광역 밀리미터파 전파 측정을 수행하여 다섯 가지 경로 손실 모델을 평가한다. Close-in (CI) 및 주파수 가중치 CI (CIF) 모델이 물리적 기반, 파rameter 안정성, 복잡도 측면에서 뛰어난 성능을 보이며, 외부 환경에는 CI 모델이, 실내 환경에서는 주파수에 따른 경로 손실 특성을 반영할 수 있는 CIF 모델이 최적임을 확인한다.

ABSTRACT

This paper presents millimeter-wave propagation measurements for urban micro-cellular and indoor office scenarios at 28 GHz and 73 GHz, and investigates the corresponding path loss using five types of path loss models, the singlefrequency floating-intercept (FI) model, single-frequency closein (CI) free space reference distance model, multi-frequency alpha-beta-gamma (ABG) model, multi-frequency CI model, and multi-frequency CI model with a frequency-weighted path loss exponent (CIF), in both line-of-sight and non-line-of-sight environments. Results show that the CI and CIF models provide good estimation and exhibit stable behavior over frequencies and distances, with a solid physical basis and less computational complexity when compared with the FI and ABG models. Furthermore, path loss in outdoor scenarios shows little dependence on frequency beyond the first meter of free space propagation, whereas path loss tends to increase with frequency in addition to the increased free space path loss in indoor environments. Therefore, the CI model is suitable for outdoor environments over multiple frequencies, while the CIF model is more appropriate for indoor modeling. This work shows that both the CI and CIF models use fewer parameters and offer more convenient closedform expressions suitable for analysis, without compromising model accuracy when compared to current 3GPP and WINNER path loss models.

연구 동기 및 목표

• 28 GHz 및 73 GHz에서 도심 마이크로셀룰러 및 실내 사무실 환경에서 광역 밀리미터파 경로 손실 특성을 규명하기 위해.
• 선로 간섭 및 비선로 간섭 조건에서 다섯 가지 경로 손실 모델—FI, CI, ABG, 다중주파수 CI, CIF—의 성능을 평가하기 위해.
• 외부 및 실내 5G 밀리미터파 시스템에 적합한 물리적으로 타당하고 안정적이며 계산 효율성이 높은 모델을 도출하기 위해.
• 외부 및 실내 환경에서 주파수 의존성에 따른 경로 손실의 정도를 정량화하고, 이를 바탕으로 모델 선택에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 주파수 및 거리에 걸쳐 뚜렷한 신뢰성과 타당성을 확보한 실증 데이터를 바탕으로 5G 시스템 설계에 적합한 모델 권고를 제공하기 위해.

제안 방법

• 28 GHz 및 73 GHz에서 도심 및 실내 환경에서 방향성 허브 안테나와 스프레드스펙트럼 채널 소운사를 활용해 맨해튼 지역에서 광범위한 밀리미터파 전파 측정을 수행하였다.
• 800 MHz RF 대역폭과 2.5 ns 해상도를 갖춘 10,000개 이상의 전력 지연 프로파일(PDP)을 확보하여 거리에 따른 경로 손실을 추정하였다.
• 측정된 데이터를 바탕으로 다섯 가지 경로 손실 모델—단일주파수 FI 및 CI, 다중주파수 ABG, CI, CIF 모델—을 평가하였다.
• CI 모델은 자유공간 기준 거리 1 m와 경로 손실 지수(PLE)를 사용하여 경로 손실를 PL = 10n log10(d/d₀) + A로 모델링하며, d₀ = 1 m이다.
• CIF 모델은 CI 모델에 주파수 의존성 항을 추가하여 PL = 10n log10(d/d₀) + 10b log10(f/f₀) + A로 표현하며, b는 주파수 의존성을 나타낸다.
• 모델 성능 평가 기준은 잔차의 표준편차와 파rameter의 물리적 타당성이며, 안정성과 단순성에 중점을 두었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 28 GHz 및 73 GHz에서 도심 마이크로셀룰러 환경과 실내 사무실 환경 간 경로 손실 특성은 어떻게 다를까?
• RQ2 FI, CI, ABG, 다중주파수 CI, CIF 중에서 물리적 정확도, 파rameter 안정성, 계산 단순성의 균형을 가장 잘 유지하는 경로 손실 모델은 무엇인가?
• RQ3 자유공간 손실을 초월해 외부 및 실내 환경에서 경로 손실이 주파수에 얼마나 의존하는가?
• RQ4 CIF 모델처럼 주파수 의존성 항을 포함한 모델이 CI 모델에 비해 실내 환경에서 정확도가 뚜렷이 향상되는가?
• RQ5 CI 또는 CIF 모델은 물리적 기반과 낮은 복잡도로 인해 기존 3GPP 및 WINNER 모델을 5G 밀리미터파 시스템 설계에서 대체할 수 있는가?

주요 결과

• CI 모델은 외부 환경에서 안정적이고 물리적으로 타당한 경로 손실 모델을 제공하며, LOS 조건에서 PLE는 2.0, NLOS 조건에서 3.4로 이론적 자유공간 손실과 실증 관측치에 매우 가깝다.
• CIF 모델은 실내 환경에서 잔차 표준편차를 2.1 dB(LOS), 10.4 dB(NLOS)로 낮추어 CI 모델(2.3 dB 및 10.9 dB)을 능가하며, 주파수 의존성 항 덕분이다.
• 실내 경로 손실은 주파수 의존성이 뚜렷하며, LOS 조건에서 b = 0.18, NLOS 조건에서 b = 0.21을 보이며, 반면 외부 환경에서는 1 m 자유공간 손실 초과에서 주파수 의존성이 거의 없으며, LOS 조건에서 b = -0.06, NLOS 조건에서 b = -0.00이다.
• ABG 모델은 표준편차 측면에선 약간 더 정확한 편(10.3 dB)이지만, LOS 조건에서 기울기 감쇠 항이 0.9로 너무 낮은 손실을 나타내어 물리적으로 비합리적이며, 신뢰성에 문제가 있다.
• CI 및 CIF 모델은 파rameter 수가 적고, 닫힌 형태의 수식을 제공하여 FI나 ABG와 같은 복잡한 모델보다 시스템 수준 분석에 더 적합하다.
• 외부 5G 밀리미터파 시스템에는 단순성과 안정성이 뛰어난 CI 모델을, 실내 시스템에는 주파수 의존성 경로 손실을 잘 반영할 수 있는 CIF 모델을 권장한다.