[논문 리뷰] Path loss, beamforming gain and time dynamics measurements at 28 GHz for 90% indoor coverage.

Dmitry Chizhik, Jinfeng Du외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 18.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 21인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 28 GHz 대역에서 라인오브사이트(LOS) 및 비라인오브사이트(NLOS) 환경에서의 경로 손실 및 빔포밍 성능을 정량화하고자, 90% 커버리지 범위 내에서 경로 손실, 빔포밍 이득 및 시간 동적 특성을 특성화하기 위해 좁은 대역폭 채널 사운더를 사용해 광범위한 실내 측정을 수행한다. 연구 결과, 코너를 돌아가거나 방에 진입할 경우 30–32 dB의 초과 경로 손실이 발생하며, 시스템 시뮬레이션 결과 1 GHz 대역폭을 사용할 경우 모든 복도에 액세스 포인트가 필요하여 90%의 위치에서 1 Gbps 데이터 전송 속도를 확보할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Achieving adequate coverage with high gain antennas is key to realizing the full promise of the wide bandwidth available at mm/cm bands. We report extensive indoor measurements at 28 GHz, with over 1000 links with and without Line-of-Sight (LOS) using a specialized narrowband channel sounder, capable of reliable measurements up to 171 dB path loss to characterize 90% coverage. Azimuthal power spectra were captured with 1-deg granularity using a 10-deg receive horn spun at speeds up to 300 rpm. Measured path gain-distance dependence in LOS and NLOS are well represented by power-law models, with 3.1 dB standard deviation in NLOS, and by a mode-diffusion model with 3.5 dB RMS error. Excess loss at 28 GHz suffered in turning a corner or into a room was found to be 30 and 32 dB respectively, in contrast to 20 dB found previously at 2 GHz. Degradation of azimuthal gain by scattering was within 4 dB in the hallway and 7 dB inside a room with 90% probability. System simulations in a canonical building indicate that every hallway needs an access point to provide 1 Gbps rate in 90% of locations using 1 GHz of bandwidth. For stationary terminals, with temporal fading caused by pedestrians, long term average-power-based aiming was within 3.7 dB of rapid beam switching in 90% of high traffic locations.

연구 동기 및 목표

• 28 GHz에서 라인오브사이트(LOS) 유무에 관계없이 실내 환경에서의 경로 손실 및 빔포밍 성능을 정량화하기 위해.
• 28 GHz에서 신호가 코너를 돌아가거나 방에 진입할 경우 발생하는 초과 경로 손실을 규명하기 위해.
• 복도 및 실내 공간에서 산산이 흩트리는 산란이 빔포밍 이득에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 28 GHz에서 1 GHz 대역폭을 사용할 경우 90%의 실내 위치에서 1 Gbps 데이터 전송 속도를 달성할 수 있는지의 가능성을 평가하기 위해.
• 보행자에 의한 시간적 변동성에 노출된 상황에서 장기 평균 전력 기반 빔포밍과 빠른 빔 스위칭 간의 성능 비교를 위해.

제안 방법

• 171 dB까지의 경로 손실 측정이 가능한 전용 좁은 대역폭 채널 사운더를 사용해 1,000건 이상의 실내 링크 측정을 수행하였다.
• 최대 300 rpm 속도로 10도 수신 홀수를 돌려 1도 해상도의 애자이럴 전력 스펙트럼을 캡처하였다.
• 라인오브사이트(LOS) 및 비라인오브사이트(NLOS) 조건에서 경로 손실-거리 관계를 힘의 법칙 모델로 모델링하였다.
• 비라인오브사이트 전파를 표현하기 위해 모드 확산 모델을 적용하였으며, 이 경우 루트 평균 제곱 오차(RMS error)는 3.5 dB였다.
• 기본 건물 구조를 기반으로 시스템 성능를 시뮬레이션하여 1 Gbps 커버리지 확보를 위한 액세스 포인트 밀도 요구 조건을 도출하였다.
• 보행자에 의한 시간적 변동성 하에서 장기 평균 전력 기반 방향 조정과 빠른 빔 스위칭 간의 빔포밍 전략을 비교 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 28 GHz에서 라인오브사이트(LOS) 및 비라인오브사이트(NLOS) 실내 환경에서의 경로 손실-거리 의존성은 어떠한가? 그리고 이는 힘의 법칙 함수로 얼마나 잘 모델링될 수 있는가?
• RQ2 28 GHz에서 신호가 코너를 돌아가거나 방에 진입할 경우 발생하는 초과 경로 손실은 얼마이며, 저주파수 대역과 비교해 어떤가?
• RQ3 복도 및 실내 공간에서 산란으로 인한 빔포밍 이득 저하 정도는 90% 확률 기준으로 얼마나 되는가?
• RQ4 28 GHz에서 1 GHz 대역폭을 사용할 경우 90%의 실내 위치에서 1 Gbps 데이터 전송 속도를 확보하기 위해 필요한 액세스 포인트 밀도는 얼마인가?
• RQ5 보행자에 의한 시간적 변동성 하에서 장기 평균 전력 기반 빔포밍은 빠른 빔 스위칭 대비 어떤 성능을 보이는가?

주요 결과

• 28 GHz에서 비라인오브사이트(NLOS) 경로 손실은 힘의 법칙 함수로 모델링했을 때 3.1 dB의 표준 편차를 보였다.
• 코너를 돌아갈 경우 30 dB, 방에 진입할 경우 32 dB의 초과 손실이 측정되었으며, 이는 2 GHz에서 관측된 20 dB보다 훨씬 높은 수준이었다.
• 복도에서는 산란으로 인한 빔포밍 이득 저하가 90% 확률 기준으로 4 dB 이내였고, 실내에서는 7 dB 이내였다.
• 시스템 시뮬레이션 결과, 1 GHz 대역폭을 사용할 경우 1 Gbps 데이터 전송 속도를 90%의 위치에서 확보하기 위해 모든 복도에 액세스 포인트가 필요하다고 나타났다.
• 정지된 단말기의 경우, 장기 평균 전력 기반 빔포밍 전략이 90%의 고밀도 교통 지역에서 빠른 빔 스위칭 대비 3.7 dB 이내의 성능 차이를 보였다.