[논문 리뷰] THz Band Channel Measurements and Statistical Modeling for Urban Microcellular Environments

Naveed A. Abbasi, Jorge Gomez‐Ponce외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 03.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 도심 마이크로셀룰러 환경에서 11.5m 높이의 송신기로 145–146 GHz 대역에서 처음으로 광대역 이중방향 채널 측정을 수행하며, 경로 손실, 쉐이딩, 지연 스프레드, 각도 스프레드 및 다중경로 성분 분포를 분석한다. 연구는 라인오브사이트(LoS) 및 라인오브사이트 외(NLoS) 조건에 대해 통계적으로 적합된 모델을 제공하여, 20–85m 거리 내에서 6G THz 시스템 설계 및 시뮬레이션을 위한 기초 프레임워크를 마련한다.

ABSTRACT

The THz band (0.1-10 THz) has attracted considerable attention for next-generation wireless communications, due to the large amount of available bandwidth that may be key to meet the rapidly increasing data rate requirements. Before deploying a system in this band, a detailed wireless channel analysis is required as the basis for proper design and testing of system implementations. One of the most important deployment scenarios of this band is the outdoor microcellular environment, where the Transmitter (Tx) and the Receiver (Rx) have a significant height difference (typically $ \ge 10$ m). In this paper, we present double-directional (i.e., directionally resolved at both link ends) channel measurements in such a microcellular scenario encompassing street canyons and an open square. Measurements are done for a 1 GHz bandwidth between 145-146 GHz and an antenna beamwidth of 13 degree; distances between Tx and Rx are up to 85 m and the Tx is at a height of 11.5 m from the ground. The measurements are analyzed to estimate path loss, shadowing, delay spread, angular spread, and multipath component (MPC) power distribution. These results allow the development of more realistic and detailed THz channel models and system performance assessment.

연구 동기 및 목표

• 높이가 높은 송신기를 갖춘 실외 도심 마이크로셀룰러 환경에서의 포괄적인 THz 채널 측정 부족 문제를 해결하기 위해.
• 실제 도심 조건에서 경로 손실, 쉐이딩, 지연 스프레드, 각도 스프레드 및 다중경로 성분 전력 분포와 같은 핵심 채널 파rameter를 특성화하기 위해.
• 145–146 GHz 대역에서 선형오차(LoS) 및 비선형오차(NLoS) 전파 조건에 대해 통계적으로 검증된 모델을 개발하기 위해.
• 실제 측정 기반의 데이터 기반 실용적 채널 모델을 제공하여 향후 6G 시스템 설계 및 성능 평가를 지원하기 위해.

제안 방법

• 실제 도심 환경에서 26개의 송신-수신 위치 쌍에 대해 145–146 GHz 대역에서 1 GHz 대역폭을 사용하여 이중방향 채널 사운딩을 수행하였다.
• 송신기 및 수신기 양단에서 방향성 해상도 측정을 가능하게 하기 위해 13° 빔폭을 갖는 방향성 허브 안테나를 사용하였다.
• 핵심 채널 파rameter의 통계 분석을 가능하게 하기 위해 약 110,000개의 방향성 인파르스 응답을 수집하였다.
• 모든 방향 및 최대 전력 빔 모드에서 거리에 따른 경로 손실을 모델링하기 위해 선형 회귀를 적용하였다.
• 신뢰구간을 포함하여 측정된 파ram터에 대해 통계 분포(예: 쉐이딩에 대해 로그정규분포, 다중경로에 대해 레이일리/라이스 분포)를 적합시켰다.
• 최적의 최소 제곱법(OLS) 및 최대우도추정법(MLE)을 사용하여 모델 파ram터를 정밀화하고 적합도 정확도를 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도가 11.5m 이상인 높은 송신기를 갖춘 도심 마이크로셀룰러 환경에서 THz 대역의 경로 손실은 거리에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 145–146 GHz에서 라인오브사이트(LoS) 및 비라인오브사이트(NLoS) 조건에서 쉐이딩 및 다중경로 성분 전력의 통계 분포는 어떻게 되는가?
• RQ3 도심 거리고랑 및 개방된 광장에서, 거리 및 링크 조건(LoS 대비 NLoS)에 따라 각도 스프레드와 지연 스프레드는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 THz 채널에서 모든 방향 및 최대 전력 빔 측정 간의 통계적 특성은 얼마나 다를까?
• RQ5 표준 통계 모델(예: 로그정규 쉐이딩, 레이일리/라이스 fading)은 이 시나리오에서 측정된 THz 채널 데이터에 얼마나 잘 적합하는가?

주요 결과

• 라인오브사이트(LoS) 조건에서 경로 손실은 거리에 따라 변하는 모델을 따르며, 모든 방향 수신 시 기울기는 1.93 dB/데카드, 최대 전력 빔 방향 수신 시 기울기는 1.88 dB/데카드이다.
• 비라인오브사이트(NLoS) 조건에서 최대 전력 빔 수신 시 경로 손실 기울기는 2.57 dB/데카드로 더 급격하게 증가하여 차단 및 방향성 이득 감소로 인한 더 높은 경로 손실을 나타낸다.
• 쉐이딩 표준편차는 송신기에서 LoS 시 0.08 dB, 수신기에서 0.18 dB이며, NLoS 시 송신기에서 0.18 dB, 수신기에서 0.19 dB로 증가하여 비라인오브사이트 링크에서 더 높은 변동성을 나타낸다.
• 지연 스프레드는 LoS에서 더 낮다(στ_omni = 4.25 dB, στ_max-dir = 1.95 dB) 반면 NLoS에서는 더 높다(στ_omni = 4.66 dB, στ_max-dir = 4.33 dB)며, NLoS에서는 다중경로 군집으로 인해 더 높은 변동성이 있다.
• 다중경로 성분(MPC) 전력 분포는 최대 전력 빔 방향 LoS에서 K-팩터가 14.72로 강한 특이 경로를 나타내며, NLoS에서는 K-팩터가 10.57로 더 산산이 흩어진 환경을 나타낸다.
• 경로 손실 및 쉐이딩을 포함한 통계 모델 파ram터는 신뢰구간과 함께 추정되었으며, 26개 측정 위치와 약 110,000개의 인파르스 응답 기반으로 20m에서 85m 거리 범위 내에서 유효하다.