[논문 리뷰] Multiple Ray Received Power Modeling for mmWave Indoor and Outdoor Scenarios

Wahab Khawaja, Özgür Özdemir외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 17.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 25인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 실내 복도 및 실외 개방 지역에서 28 GHz 대역의 mmWave 통신을 위한 다중 레이저 경로 손실 모델을 제안한다. 분석 모델링, 측정 및 레이 추적 시뮬레이션을 사용한다. 다중 경로 반사로 인해 실내 복도 모델링에는 다섯 개의 주요 레이저가 필요하며, 실외 개방 지역에서는 두 개의 레이저로도 충분하다. 안테나 이득은 경로 손실 기울기와 모델 적합도 정확도에 크게 영향을 미친다.

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) frequency bands are expected to be used for future 5G networks due to the availability of large unused spectrum. However, the attenuation at mmWave frequencies is high. To resolve this issue, the utilization of high gain antennas and beamforming mechanisms are widely investigated in the literature. In this work, we considered mmWave end-to-end propagation modeled by individual ray sources, and explored the effects of the number of rays in the model and radiation patterns of the deployed antennas on the received power. It is shown that taking the dominant two rays is sufficient to model the channel for outdoor open areas as opposed to the indoor corridor which needs five dominant rays to have a good fit for the measurement and simulation results. It is observed that the radiation pattern of the antenna affects the slope of the path loss. Multi-path components increase the received power, thus, for indoor corridor scenarios, path loss according to the link distance is smaller for lower gain antennas due to increased reception of reflected components. For an outdoor open area, the slope of the path loss is found to be very close to that of the free space.

연구 동기 및 목표

• 실내 및 실외 환경에서 다중 레이저 성분을 사용하여 mmWave 엔드 투 엔드 전파를 모델링하기 위해.
• 안테나 이득과 방사 패턴이 경로 손실 및 수신 전력에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 환경에서 정확한 채널 모델링을 위한 최적의 주요 레이저 수를 결정하기 위해.
• 검증을 위해 분석 모델, 레이 추적 시뮬레이션 및 실세계 측정치를 비교하기 위해.
• 통계적 가설 검정(z-검정)을 사용하여 두 레이저 모델과 다섯 레이저 모델이 측정 데이터에 얼마나 잘 맞는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 실외 환경에 적합한 일阶 반사 기반의 분석적 두 레이저 모델과 실내 환경에 적합한 다섯 레이저 모델을 개발하였다.
• PXI 기반 채널 사운더와 방향성 고리 안테나(17 dBi 및 23 dBi 이득)를 사용하여 28 GHz에서 실세계 측정을 수행하였다.
• 분석 모델의 검증 및 측정된 경로 손실 데이터와의 비교를 위해 레이 추적 시뮬레이션을 수행하였다.
• 선형 회귀를 사용하여 경로 손실 모델을 적합시키고, 측정된 데이터, 분석 데이터, 시뮬레이션 데이터의 기울기와 y절편을 계산하였다.
• 측정치와의 모델 적합도를 비교하기 위해 95% 신뢰수준에서 z-검정을 적용하여 통계적 유의성을 평가하였다.
• 라이스 K-요소를 직선 경로 전력 대 산산이 흩어진 다중 경로 전력의 비율로 계산하여 직선 경로의 지배성 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실내 복도 및 실외 개방 지역 mmWave 채널에서 경로 손실을 정확하게 모델링하기 위해 몇 개의 주요 레이저가 필요한가?
• RQ2 방향성 안테나의 방사 패턴과 이득이 경로 손실 기울기와 수신 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 두 레이저 모델과 다섯 레이저 모델이 실내 및 실외 환경에서 측정된 경로 손실 데이터에 얼마나 잘 맞는가?
• RQ4 다중 경로 성분(반사)이 실내 복도에서 수신 전력과 경로 손실 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실내 및 실외 환경에서 안테나 이득과 링크 거리에 따라 라이스 K-요소는 어떻게 변하는가?

주요 결과

• 실내 복도에서는 천장 및 벽 반사로 인해 레이저의 기여가 크므로 정확한 경로 손실 모델링을 위해 다섯 개의 주요 레이저가 필요하며, 실외 개방 지역에서는 두 개의 레이저로도 충분하다.
• 실내 복도에서는 반사 레이저의 간섭적 덧셈으로 인해 자유공간 경로 손실보다 기울기가 낮아지며, 감쇠가 감소한다.
• 실외 개방 지역에서는 경로 손실 기울기가 자유공간 경로 손실에 매우 가깝게 나타나 직접 경로와 첫 번째 반사 레이저의 지배성이 확인된다.
• 23 dBi의 높은 이득 안테나는 17 dBi의 낮은 이득 안테나보다 측정치와의 모델 적합도가 더 우수한 편이다. 이는 비중심 방향 반사파의 거부 능력 향상 때문이다.
• z-검정 결과, 다섯 레이저 분석 모델은 기울기 및 절편 모두 측정치와 95% 신뢰수준 내에서 적합한 반면, 두 레이저 모델은 그렇지 않다.
• 23 dBi 안테나는 17 dBi 안테나보다 더 강한 방향성과 낮은 산산이 흩어진 다중 경로 전력으로 인해 더 높은 라이스 K-요소를 보이며, 측정된 K-요소는 간섭 효과로 인해 낮게 나타난다.