[논문 리뷰] Millimeter Wave Small-Scale Spatial Statistics in an Urban Microcell Scenario

Shu Sun, Hangsong Yan외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 23.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 35.31cm 선형 트랙을 사용하여 도심 마이크로셀 환경에서 73.5 GHz에서 광대역 밀리미터파의 소규모 공간 fading 및 상관관계 측정을 수행한다. 측정 결과, LOS 및 NLOS 조건에서 신호 전압 진폭의 편미분은 라이스 분포를 따르며, 옴니디렉셔널 NLOS의 경우 로그노멀 분포를 따른다. 공간 상관관계는 사인파-지수 또는 지수 모델을 따르며, 환경와 방향에 따라 0.27 cm에서 81.6 cm까지의 상관관계 감쇠 거리가 관찰된다.

ABSTRACT

This paper presents outdoor wideband small-scale spatial fading and autocorrelation measurements and results in the 73 GHz millimeter-wave (mmWave) band conducted in downtown Brooklyn, New York. Both directional and omnidirectional receiver (RX) antennas are studied. Two pairs of transmitter (TX) and RX locations were tested with one line-of-sight (LOS) and one non-line-of-sight (NLOS) environment, where a linear track was employed at each RX to move the antenna in half-wavelength increments. Measured data reveal that the small-scale spatial fading of the received signal voltage amplitude are generally Ricean-distributed for both omnidirectional and directional RX antenna patterns under both LOS and NLOS conditions in most cases, except for the log-normal distribution for the omnidirectional RX antenna pattern in the NLOS environment. Sinusoidal exponential and typical exponential functions are found to model small-scale spatial autocorrelation of the received signal voltage amplitude in LOS and NLOS environments in most cases, respectively. Furthermore, different decorrelation distances were observed for different RX track orientations, i.e., for different directions of motion relative to the TX. Results herein are valuable for characterizing small-scale spatial fading and autocorrelation properties in multiple-input multiple-output (MIMO) systems for fifth-generation (5G) mmWave frequencies.

연구 동기 및 목표

• 73.5 GHz에서 실제 도심 마이크로셀 환경에서 밀리미터파 신호의 소규모 공간 fading 및 상관관계를 특성화하기 위해.
• 수신 안테나의 방향성(옴니디렉셔널 대 비디렉셔널)이 신호 분포 및 공간 상관관계에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• MIMO 시스템 설계를 위한 LOS 및 NLOS 조건에서의 상관관계 감쇠 거리를 정량화하기 위해.
• 실험 데이터 기반으로 사인파-지수 및 지수 함수를 사용하여 공간 상관관계를 모델링하기 위해.
• 5G 밀리미터파 MIMO 채널 모델링 및 빔포밍 최적화를 위한 데이터 기반 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 1 GHz RF 대역폭을 사용한 슬라이딩 상관관계 채널 사운더를 활용해 73.5 GHz에서 광대역 외부 측정을 수행하였다.
• 반파장 간격(약 1.04 mm 간격)으로 수신 안테나를 이동시키기 위해 35.31cm 선형 트랙을 사용하여 공간 샘플링을 수행하였다.
• 1.4m 높이의 옴니디렉셔널 및 비디렉셔널(피라미드 호른) 수신 안테나를 사용하였으며, 4m 높이의 비디렉셔널 송신 안테나를 적용하였다.
• 신호의 실수부 및 허수부 기저대역 전압 신호를 측정하여 신호 에너지 진폭을 재구성하고 공간 상관관계를 계산하였다.
• 통계적 적합도 분석을 통해 측정된 전압 진폭 데이터에 라이스, 로그노말, 나카가미-m 분포를 피팅하였다.
• 상관관계 감쇠 거리를 상관관계 감쇠 특성에서 추정하여, 사인파-지수 및 지수 함수를 사용해 공간 상관관계를 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 73.5 GHz에서 도심 마이크로셀 환경의 LOS 및 NLOS 조건에서 옴니디렉셔널 및 비디렉셔널 수신 안테나의 소규모 공간 fading 분포는 어떻게 달라지나?
• RQ2 LOS 및 NLOS 조건에서 밀리미터파 신호 전압 진폭의 공간 상관관계는 어떻게 행동하며, 어떤 수학적 모델이 가장 잘 이를 기술하는가?
• RQ3 수신 안테나의 방향이 송신기 및 주요 반사체에 대해 어떻게 되어 있을 때 상관관계 감쇠 거리가 달라지는가?
• RQ4 안테나의 방향성과 전파 환경(LOS 대 NLOS)이 K-팩터 및 편미분 깊이에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 측정된 공간 상관관계 특성은 밀리미터파 MIMO 시스템에서 밀집된 안테나를 갖는 설계에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• LOS 조건에서 옴니디렉셔널 수신 안테나의 소규모 fading은 K-팩터가 10 dB인 라이스 분포를 따르며, NLOS fading은 표준편차가 0.65 dB인 로그노말 분포를 따른다.
• 비디렉셔널 수신 안테나의 경우, LOS 및 NLOS 환경 모두에서 라이스 분포가 가장 잘 맞으며, K-팩터는 LOS에서 7 dB에서 17 dB, NLOS에서 9 dB에서 21 dB의 범위를 가진다.
• 옴니디렉셔널 수신의 경우 LOS에서는 -3 dB에서 1.5 dB(평균 대비), NLOS에서는 -0.8 dB에서 0.8 dB의 편미분 깊이를 보이며, 비디렉셔널 수신의 경우 양 환경에서 -4 dB에서 2 dB의 범위를 가진다.
• LOS 환경에서 공간 상관관계는 옴니디렉셔널 수신의 경우 사인파-지수 함수로 가장 잘 모델링되며, 대부분의 비디렉셔널 수신의 경우도 동일하다. 반면, 수신이 송수신 기준선과 평행으로 이동할 경우 지수 감쇠 모델이 가장 적합하다.
• NLOS 환경에서 공간 상관관계는 옴니디렉셔널 및 비디렉셔널 수신 안테나 모두에서 지수 감쇠 모델로 잘 기술된다.
• 상관관계 감쇠 거리는 NLOS에서 0.67~25 파장(0.27~10.2 cm), LOS에서 5~200 파장(2.09~81.6 cm)의 범위를 가지며, 최대 감쇠는 수신 안테나가 주요 반사체를 향하고 송수신 선과 평행으로 이동할 때 발생한다.