[논문 리뷰] Standardization of Propagation Models: 800 MHz to 100 GHz -- A Historical Perspective

Harsh Tataria, Katsuyuki Haneda외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 15.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 62인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 800 MHz에서 100 GHz까지의 표준화된 전파 전파 모델의 역사적 개요를 종합적으로 제공하며, 다섯 번째 세대 무선 시스템을 다룹니다. 경로 손실, 대규모 및 소규모 fading 파rameter의 진화와 결정론적 모델링을 다루며, 3GPP 및 COST 표준을 중심으로 하며, mmWave 시스템의 공간 일관성 및 다중 주파수 상관관계의 발전을 강조합니다.

ABSTRACT

Propagation models constitute a fundamental building block of wireless communications research. Before we build and operate real systems, we must understand the science of radio propagation, and develop channel models that both reflect the important propagation processes and allow a fair comparison of different systems. In the past five decades, wireless systems have gone through five generations, from supporting voice applications to enhanced mobile broadband. To meet the ever increasing data rate demands of wireless systems, frequency bands covering a wide range from 800 MHz to 100 GHz have been allocated for use. The standardization of these systems started in the early/mid 1980's in Europe by the European Telecommunications Standards Institute with the advent of Global System for Mobile Communications. This motivated the development of the first standardized propagation model by the European Cooperation in Science and Technology (COST) 207 working group. These standardization activities were continued and expanded for the third, fourth, and fifth generations of COST, as well as by the Third Generation Partnership Project, and the International Telecommunication Union. This paper presents a historical overview of the standardized propagation models covering first to fifth-generation systems. In particular, we discuss the evolution and standardization of pathloss models, as well as large and small-scale fading parameters for single antenna and multiple antenna systems. Furthermore, we present insights into the progress of deterministic modelling across the five generations of systems, as well as discuss more advanced modelling components needed for the detailed simulations of millimeter-wave channels. A comprehensive bibliography at the end of the paper will aid the interested reader to dig deeper.

연구 동기 및 목표

• 1G에서 5G에 이르기까지 다섯 번째 세대 무선 시스템의 주파수 범위, 복잡성 및 표준화 기구의 관점에서 표준화된 전파 모델의 역학적 발전을 기록하는 것.
• 단일 및 다중 안테나 시스템에서 경로 손실, 대규모 fading 및 소규모 fading 파rameter의 진화를 분석하는 것.
• 결정론적 채널 모델링의 진화와 mmWave 및 매크로 MIMO 시스템에서의 역할을 검토하는 것.
• 3GPP, COST 및 ITU의 표준화 노력이 일관되고 재현 가능하며 확장 가능한 무선 시스템 평가를 가능하게 하는 방식을 평가하는 것.
• 정확한 mmWave 채널 시뮬레이션을 위해 필요한 핵심 모델링 구성 요소를 특정화하는 것, 각각의 각도 및 지연 분산, 투과 손실 포함

제안 방법

• COST, 3GPP, ITU 및 ETSI와 같은 주요 표준화 기구를 통해 표준화된 전파 모델의 진화를 추적함.
• 800 MHz에서 100 GHz의 주파수 대역에 걸쳐 경로 손실 모델 및 지연, 전력, 각도 파rameter의 통계적 분포를 분석함.
• 0.1 m 간격으로 이동하는 사용자 기지국(UE) 궤적 모델을 사용하여 채널 파rameter의 공간 일관성(예: AOD, AOA, 지연)을 평가함.
• 시간과 거리에 따라 클러스터 파rameter의 연속적인 진화를 보장하기 위해 공간 일관성 임펄스 응답(SC-I) 생성을 위한 수정된 절차를 구현함.
• 5G NR에서의 다중 주파수 상관관계 모델링을 평가함. 주파수 대역 간의 진폭, 지연, 각도, LOS 확률, 색잡이 및 어레이 패턴 포함.
• 실세계 시나리오에서 공간 일관성의 시뮬레이션 및 검증을 위한 기준으로 3GPP TR 38.901 UMi(도시 마이크로셀) 모델을 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1G에서 5G에 이르기까지 주파수 대역, 복잡성 및 표준화 기구 측면에서 표준화된 전파 모델은 어떻게 진화했는가?
• RQ2 2G/3G/4G와 5G NR 시스템 간의 경로 손실 및 페이딩 파rameter의 주요 차이점은 무엇이며, 특히 mmWave 주파수에서 어떻게 다릅니까?
• RQ3 사용자 이동성 중 채널 임펄스 응답의 현실성과 연속성을 향상시키기 위해 채널 파ram터(예: 지연, 각도)의 공간 일관성은 어떻게 작용합니까?
• RQ4 5G NR 표준화 과정에서 여러 주파수 대역 간의 전파 파ram터를 상관시키기 위해 도입된 메커니즘은 무엇입니까?
• RQ5 정확한 mmWave 채널 시뮬레이션을 위해 필수적인 고급 모델링 구성 요소는 무엇이며, 블록화, 산소 흡수 및 투과 손실 포함?

주요 결과

• 표준화된 전파 모델은 단순한 경로 손실 모델에서 공간 일관성과 통계적 분포를 포함한 복잡한 이중 방향 임펄스 응답으로 진화함.
• 공간 일관성 있는 모델링은 이동 사용자 궤적에 따라 클러스터 지연 및 각도(예: AOD, AOA)의 매끄럽고 연속적인 진화를 보장하여 비일관 모델에서 관찰되는 급격한 불연속성을 제거함.
• 3GPP TR 38.901 모델은 도시 마이크로셀 환경에서 지연, 전력 및 각도 파ram터의 정의된 통계적 분포를 갖춘 mmWave 채널의 정확한 시뮬레이션을 가능하게 함.
• 5G NR 표준화 모델은 주파수 대역 간의 진폭, 지연, 각도, LOS 확률, 클러스터별 색잡이 및 어레이 패턴을 체계적으로 상관시키는 방법론을 도입함.
• 0.1 m 간격의 사용자 기지국 이동 단위를 사용하면 대규모 파ram터의 15 m 이내 상관 거리 이하에서 채널 파ram터 변화를 고해상도로 추적할 수 있음.
• 이 논문은 공간 일관성이 빔포밍 및 매크로 MIMO 시스템과 같은 응용 분야에서 물리적 일관성을 시간과 공간에 걸쳐 유지함으로써 채널 시뮬레이션의 현실성을 크게 향상시킨다는 것을 입증함.