[논문 리뷰] Millimeter Wave Wireless Communications: New Results for Rural Connectivity

George R. MacCartney, Shu Sun외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 18.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 12인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 버지니아 농촌 지역에서 실시한 73 GHz 현장 측정 캠프에 기반하여 밀리미터파(mmWave) 농촌 매크로셀(RMa) 통신을 위한 새로운 근접(CI) 기준 거리 path loss 모델을 제안한다. 이 모델은 3GPP RMa 모델보다 뛰어난 정확도와 안정성을 확보하며, LOS의 경우 경로 손실 지수 2.16, NLOS의 경우 2.75로 11 km까지 신뢰할 수 있는 신호 전파를 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper shows the remarkable distances that can be achieved using millimeter wave communications, and presents a new rural macrocell (RMa) path loss model for millimeter wave frequencies, based on measurements at 73 GHz in rural Virginia. Path loss models are needed to estimate signal coverage and interference for wireless network design, yet little is known about rural propagation at millimeter waves. This work identifies problems with the RMa model used by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) TR 38.900 Release 14, and offers a close-in (CI) reference distance model that has improved accuracy, fewer parameters, and better stability as compared with the existing 3GPP RMa path loss model. The measurements and models presented here are the first to validate rural millimeter wave path loss models.

연구 동기 및 목표

• mmWave 농촌 경로 손실 모델에 대한 실증적 검증 부족, 특히 3GPP RMa 모델에 대해 해결할 필요가 있다.
• 기존 3GPP RMa 경로 손실 모델의 수학적 및 실증적 결함을 규명한다. 이 모델은 도시 모델에서 유도되었으며 농촌 환경에서의 검증이 부족하다.
• 실세계 측정 기반으로 농촌 매크로셀 시나리오에 적합한 더 단순하고 정확한 mmWave 경로 손실 모델을 개발하고 검증한다.
• 500 MHz에서 100 GHz 주파수 대역에서 농촌 환경에 적용 가능한 물리적으로 타당하고 안정적이며 확장 가능한 경로 손실 모델을 제공한다.

제안 방법

• 버지니아 린터의 농촌 지역에서 110m 높이의 기지국을 갖춘 73 GHz 현장 측정 캠프를 실시하였으며, 수신기 위치는 최대 11 km 떨어져 있었다.
• 다양한 잎새 및 대기 조건에서 1m에서 11km까지의 거리에서 선로 간섭(LOS) 및 비선로 간섭(NLOS) 경로 손실 데이터를 수집하였다.
• 1m 기준 거리로 하는 근접(CI) 기준 거리 경로 손실 모델을 제안하였으며, 식은 PL = 32.4 + 20 log₁₀(fc) + 20 log₁₀(d) + χσ 형태를 취한다.
• 실측 데이터를 적합하여 경로 손실 지수(PLE)로 2.16(LOS), 2.75(NLOS)를 도출하였고, 그림자 퍼짐 표준편차는 각각 1.7 dB 및 6.7 dB였다.
• 3GPP RMa 모델과의 비교 검증을 통해, 특히 9.1 GHz 이상에서 더 뛰어난 정확도와 안정성을 입증하였다.
• 제안된 모델을 NYUSIM 오픈소스 5G 채널 시뮬레이터에 통합하여 더 넓은 연구 및 표준화 활용을 가능하게 하였다.

Figure 1: LOS breakpoint distance vs. frequency in ( 2 ).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mmWave 주파수에서 농촌 환경에 대해 현재 3GPP RMa 경로 손실 모델의 정확도는 어떠한가, 특히 9.1 GHz 이상에서?
• RQ2 더 단순하고 물리적으로 타당한 경로 손실 모델이 복잡하고 실증 검증이 되지 않은 3GPP RMa 모델을 농촌 mmWave 시나리오에서 뛰어나게 성능을 높일 수 있는가?
• RQ3 73 GHz에서 농촌 매크로셀 환경에서 mmWave 신호의 실제 경로 손실 지수와 그림자 퍼짐 통계는 무엇인가?
• RQ4 mmWave 신호는 농촌 지역에서 얼마나 멀리 전파될 수 있으며, 3GPP 모델은 5km를 초과한 커버리지를 정확히 예측하는가?
• RQ5 근접(CI) 기준 거리 모델이 광범위한 주파수 대역에서 농촌 환경의 mmWave 경로 손실을 정확히 기술할 수 있는가?

주요 결과

• 3GPP RMa 경로 손실 모델은 9.1 GHz 이상에서 수학적으로 잘못되었으며, 농촌 mmWave 환경에서의 실증적 검증이 부족하다.
• 제안된 CI 경로 손실 모델은 500 MHz에서 100 GHz까지 높은 정확도를 확보하였으며, 73 GHz에서 LOS의 경우 경로 손실 지수 2.16, NLOS의 경우 2.75였다.
• 측정된 경로 손실 데이터는 LOS 조건에서 최대 11km, NLOS 조건에서 최대 8.5km까지 신호 전파가 가능함을 확인하였으며, 이는 3GPP NLOS 모델의 5km 제한을 크게 초월한다.
• 그림자 퍼짐 표준편차는 LOS의 경우 1.7 dB, NLOS의 경우 6.7 dB로 측정되었으며, 3GPP 모델이 가정한 4 dB 및 8 dB보다 현저히 낮았다.
• CI 모델은 3GPP RMa 모델보다 더 단순하고 안정적이며 실측 데이터에 더 잘 맞는다. 3GPP RMa 모델은 경로 손실을 과도하게 추정하며 도시 전파 가정에 기반한다.
• 새로운 모델은 3GPP RMa 모델의 타당한 대체 모델로 검증되었으며, 농촌 mmWave 네트워크 설계를 위한 선택적 또는 대체 표준으로 채택되어야 한다.

Figure 2: 73 GHz TX measurement equipment.