[논문 리뷰] Sub-Terahertz Spatial Statistical MIMO Channel Model for Urban Microcells at 142 GHz

Shihao Ju, Theodore S. Rappaport|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 12.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 21인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 도심 미세셀 환경에서 142 GHz 대역에서 광범위한 측정을 바탕으로 공간 통계 MIMO 채널 모델을 제안하며, 클러스터 수와 전력 분포를 모델링한다. 双방향 채널 생성 절차를 사용하여, 강한 직시 경로로 인해 LOS 조건에서는 빔포밍이 공간 multiplexing를 능가함을 보이고, NLOS 조건에서는 제한된 강력한 클러스터로 인해 두 개의 데이터 스트림을 사용하는 공간 multiplexing가 스펙트럼 효율을 최적화함을 밝힌다.

ABSTRACT

Sixth generation (6G) cellular systems are expected to extend the operational range to sub-Terahertz (THz) frequencies between 100 and 300 GHz due to the broad unexploited spectrum therein. A proper channel model is needed to accurately describe spatial and temporal channel characteristics and faithfully create channel impulse responses at sub-THz frequencies. This paper studies the channel spatial statistics such as the number of spatial clusters and cluster power distribution based on recent radio propagation measurements conducted at 142 GHz in an urban microcell (UMi) scenario. For the 28 measured locations, we observe one to four spatial clusters at most locations. A detailed spatial statistical multiple input multiple output (MIMO) channel generation procedure is introduced based on the derived empirical channel statistics. We find that beamforming provides better spectral efficiency than spatial multiplexing in the LOS scenario due to the boresight path, and two spatial streams usually offer the highest spectral efficiency at most NLOS locations due to the limited number of spatial clusters.

연구 동기 및 목표

• 미래의 6G 시스템을 위해 도심 미세셀 환경에서 142 GHz 대역의 공간 채널 통계를 규명하는 것.
• 공간 클러스터, 전력 분포 및 각도 분산의 실측 데이터를 기반으로 통계적 MIMO 채널 모델을 개발하는 것.
• LOS 및 NLOS 조건에서 빔포밍과 공간 multiplexing 간의 스펙트럼 효율 트레이드오프를 평가하는 것.
• 서브-THz 주파수에서 시스템 수준 시뮬레이션을 위한 실용적인 채널 생성 절차를 제공하는 것.

제안 방법

• 27 dBi 이득과 8° HPBW를 가진 방향성 허브 안테나를 사용하여 12.9–117.4 m 거리의 28개의 UMi 전파 측정을 수행함.
• 공간 클러스터 수를 평균 약 2개의 클러스터를 가진 포isson 랜덤 변수로 모델링함.
• 측정된 채널 인풋 응답에서 클러스터 전력 분포 및 전방위적 RMS 각도 분산을 유도함.
• 고유벡터 기반 빔포밍을 사용하는 정규분해(SVD)를 활용한 이중방향 MIMO 채널 생성 절차를 제안함.
• 통계적 모델을 사용하여 수천 개의 채널 행렬을 시뮬레이션하여 빔포밍 및 공간 multiplexing 조건 하에서의 스펙트럼 효율을 평가함.
• 기지국에서 완벽한 채널 상태 정보를 가정하였으며, 기지국과 사용자 단말기에서 각각 16×8 및 4×2 균일 직사각형 어레이(URAs)를 사용함.

Figure 1 : 142 GHz outdoor UMi measurement locations [ 18 ] . TX locations are denoted as stars in different colors. RX locations are denoted as circles. One RX location filled with multiple colors indicates that the channels between this RX location and multiple TX locations were measured.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도심 미세셀 환경에서 142 GHz 대역의 서브-THz MIMO 채널에서 일반적으로 몇 개의 공간 클러스터가 존재하는가?
• RQ2 142 GHz에서 LOS 및 NLOS 전파 환경에서 클러스터 전력 분포와 각도 분산은 어떻게 분포하는가?
• RQ3 서브-THz MIMO 시스템에서 공간 multiplexing가 빔포밍을 능가하는 SNR 조건은 무엇인가?
• RQ4 142 GHz에서 LOS 및 NLOS 환경에서 스펙트럼 효율을 최대화하기 위해 최적의 데이터 스트림 수는 얼마인가?

주요 결과

• 모든 28개 측정 위치에서 공간 클러스터의 평균 수는 약 2개이며, 각 위치에서 1~4개의 클러스터가 관측됨.
• LOS 조건에서는 강력한 보어사이트 경로로 인해 빔포밍이 공간 multiplexing보다 높은 스펙트럼 효율을 제공함. 특히 저 SNR 조건에서 유의미함.
• 공간 multiplexing가 빔포밍을 능가하는 스펙트럼 효율 임계점은 LOS 조건에서 24 dB SNR, NLOS 조건에서 15 dB SNR임.
• NLOS 환경에서는 여러 클러스터가 유사한 전력을 가지며 다중화에 적합하므로, 두 개의 스트림을 사용하는 공간 multiplexing가 가장 높은 스펙트럼 효율을 달성함.
• 최대 6개의 공간 클러스터가 관측되었지만, 늦게 도착하는 약한 클러스터는 전력 기여가 무시할 만큼 작고, 전송에 신뢰성이 떨어짐.
• 클러스터 전력 분포는 첫 번째 도착 클러스터가 후속 클러스터보다 유의미하게 더 많은 전력을 가지며, 이는 초기 반사 또는 직시 경로 성분의 우세함을 시사함.

Figure 2 : The directional excess time PDP was measured at TX1 and RX14. The received power was recovered by removing system processing gain and antenna gain.