[논문 리뷰] Synthesizing Omnidirectional Antenna Patterns, Received Power and Path Loss from Directional Antennas for 5G Millimeter-Wave Communications

Shu Sun, George R. MacCartney외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 23.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 28 GHz 및 73 GHz에서 방사형 고리형 안테나 측정값을 기반으로, 모든 겹치지 않는 방향각(azimuth 및 elevation) 설정에서 수신 전력의 합을 통해 전방위적 안테나 패턴, 수신 전력 및 경로 손실을 합성하는 방법을 제안한다. 이 방법은 측정 범위와 다이내믹 레인지가 확장된 정확한 전방위적 경로 손실 모델링을 가능하게 하며, 이론적 분석과 mmWave 전파 측정을 통해 검증된다. 다양한 비드와의 안테나를 사용한 측정을 통해 검증된다.

ABSTRACT

Omnidirectional path loss models are vital for radiosystem design in wireless communication systems, as they allow engineers to perform network simulations for systems with arbitrary antenna patterns. At millimeter-wave frequencies, channel measurements are frequently conducted using steerable highgain directional antennas at both the transmitter and receiver to make up for the significant increase in free space path loss at these frequencies compared to traditional cellular systems that operate at lower frequencies. The omnidirectional antenna pattern, and resulting omnidirectional received power must therefore be synthesized from many unique pointing angles, where the transmit and receive antennas are rotated over many different azimuth and elevation planes. In this paper, the equivalent omnidirectional antenna pattern and omnidirectional received power are synthesized by summing the received powers from all measured unique pointing angles obtained at antenna halfpower beamwidth step increments in the azimuth and elevation planes, and this method is validated by demonstrating that the synthesized omnidirectional received power and path loss are independent of antenna beamwidth, through theoretical analyses and millimeter-wave propagation measurements using antennas with different beamwidths. The method in this paper is shown to provide accurate results while enhancing the measurement range substantially through the use of directional antennas.

연구 동기 및 목표

• 고주파수 측정에 더 실용적인 방사형 안테나를 사용하여 5G mmWave 시스템에서 정확한 전방위적 경로 손실 모델링을 가능하게 하기 위해.
• mmWave 주파수에서 장거리 측정을 위해 과도한 송신 전력이 필요한 저이득 전방위적 안테나의 한계를 극복하기 위해.
• 합성된 전방위적 경로 손실이 방사형 안테나 비드에 영향을 받지 않음을 검증하여, 다양한 측정 설정 간 일관성을 확보하기 위해.
• 고이득 방사형 안테나를 활용하여 측정 다이내믹 레인지와 커버리지 범위를 확장하면서도 동일한 전방위적 성능을 유지하기 위해.
• 이소트ropic 안테나가 필요 없이 연구자들이 mmWave 시스템에서 전방위적 행동을 시뮬레이션하고 모델링할 수 있는 실용적인 방법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 송신기 및 수신기에서 모두 조정 가능한 고이득 방사형 고리형 안테나를 사용하여, 반파워비드 폭(HPBW) 간격으로 모든 고유한 방향각(azimuth 및 elevation)을 스캔함으로써 경로 손실을 측정한다.
• 송신기 및 수신기 안테나 이득을 제거하여 0 dBi 이소트ropic 응답을 시뮬레이션하기 위해, 겹치지 않는 방향각 조합 전체에서 방사형 수신 전력(mW 단위)의 합을 통해 전방위적 수신 전력을 합성한다.
• 다음 공식을 사용하여 합성된 전방위적 경로 손실을 계산한다: $\mathrm{PL}_{i,j}[\mathrm{dB}] = \mathrm{Pt}_{i,j}[\mathrm{dBm}] - 10\log_{10}\left(\sum_{n}\sum_{m}\sum_{l}\sum_{k}\mathrm{Pr}_{i,j}(\phi_k,\theta_l,\varphi_m,\vartheta_n)[\mathrm{mW}]\right)$, 여기서 이득은 제외된다.
• 다양한 방사형 안테나 비드(예: 3×3 낮은비드 대비 넓은비드)를 사용하여 합성된 전방위적 경로 손실을 비교함으로써 방법의 타당성을 검증한다.
• 이론적 분석과 28 GHz 및 73 GHz에서의 실측 mmWave 측정을 통해, 합성된 경로 손실이 비드에 영향을 받지 않으며 이소트ropic 행동과 일치함을 확인한다.
• 외부 환경에서 가장 강한 방향각 평면과 그 인접 평면만 스캔해도 총 수신 전력의 72%에서 95%를 확보할 수 있으며, 이는 시간 및 자원 효율적인 근사치를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mmWave 주파수에서 방사형 안테나 측정값으로부터 정확한 전방위적 경로 손실을 합성할 수 있는가?
• RQ2 합성된 전방위적 경로 손실은 다양한 방사형 안테나 비드 간에 일관성 있는가?
• RQ3 외부 mmWave 환경에서 가장 강한 방향각 평면은 총 전방위적 수신 전력에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 저이득 전방위적 안테나를 사용하는 것보다 측정 다이내믹 레인지와 커버리지 거리를 늘일 수 있는가?
• RQ5 자원 제약 상황에서 가장 강한 방향각 평면과 그 인접 평면만을 사용하여 전방위적 경로 손실을 근사하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 이론적 분석과 28 GHz 및 73 GHz에서의 측정을 통해, 합성된 전방위적 경로 손실이 방사형 안테나 비드에 영향을 받지 않음을 검증하였다.
• 3×3 낮은비드 안테나 어레이에서의 수신 전력은 약 3배의 HPBW를 가진 단일 넓은비드 안테나와 밀도적으로 유사했으며, 일관성의 확인이 되었다.
• 저이득 전방위적 안테나를 사용하는 것보다 측정 다이내믹 레인지와 커버리지 거리가 크게 향상됨을 확인하였다.
• 외부 환경에서 가장 강한 방향각 평면과 그 인접 평면을 조합하면 총 수신 전력의 72%에서 95%를 차지하며, 최대 0.8 dB 이내의 차이만 존재한다.
• 수직 스캔을 하나의 HPBW 간격으로 제한할 경우, 고링크 예산 환경(예: 17m 송신기 높이)에서 가장 강한 방향각 평면이 총 전력의 90% 이상을 차지한다.
• 이 방법은 고이득 방사형 안테나를 사용하여 정확한 전방위적 경로 손실 모델링을 가능하게 하며, 고전력 전방위적 측정이 필요 없이도 정밀도를 유지할 수 있다.