[論文レビュー] 142 GHz Multipath Propagation Measurements and Path Loss Channel Modeling in Factory Buildings

Shihao Ju, Theodore S. Rappaport|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2023

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、4つの工場における屋内環境で142 GHz帯のサブTHzチャネル測定を初めて実施し、視線内（LOS）および視線外（NLOS）条件の路損(loss)をモデル化した。低受信機高さ（0.5 m）は、視線内条件下で10.7 dB、視線外条件下で6.0 dB、高受信機高さ（1.5 m）よりも路損が大きくなることが示された。また、パassive reflecting surface（PRS）を用いることで、全方向利得が最大22 dB、平均6.5 dB向上し、6Gスマートファクトリーにおける実用的なサブTHzリンクの実現が可能となる。

ABSTRACT

This paper presents sub-Terahertz (THz) radio propagation measurements at 142 GHz conducted in four factories with various layouts and facilities to explore sub-THz wireless channels for smart factories in 6G and beyond. Here we study spatial and temporal channel responses at 82 transmitter-receiver (TX-RX) locations across four factories in the New York City area and over distances from 5 m to 85 m in both line-of-sight (LOS) and non-LOS (NLOS) environments. The measurements were performed with a sliding-correlation-based channel sounder with 1 GHz RF bandwidth with steerable directional horn antennas with 27 dBi gain and 8\degree~half-power beamwidth at both TX and RX, using both vertical and horizontal antenna polarizations, yielding over 75,000 directional power delay profiles. Channel measurements of two RX heights at 1.5 m (high) emulating handheld devices and at 0.5 m (low) emulating automated guided vehicles (AGVs) were conducted for automated industrial scenarios with various clutter densities. Results yield the first path loss models for indoor factory (InF) environments at 142 GHz and show the low RX height experiences a mean path loss increase of 10.7 dB and 6.0 dB when compared with the high RX height at LOS and NLOS locations, respectively. Furthermore, flat and rotatable metal plates were leveraged as passive reflecting surfaces (PRSs) in channel enhancement measurements to explore the potential power gain on sub-THz propagation channels, demonstrating a range from 0.5 to 22 dB improvement with a mean of 6.5 dB in omnidirectional channel gain as compared to when no PRSs are present.

研究の動機と目的

• 実際の屋内工場環境（多様なレイアウトとクラッター密度を有する）における142 GHz帯のサブTHz無線伝搬特性を同定すること。
• 工場建物における視線内（LOS）および視線外（NLOS）条件の方向性および全方向路損(loss)をモデル化すること。
• 特にAGVなどの床近くに設置された移動端末デバイスを想定し、受信機高さが路損に与える影響を調査すること。
• 工業環境におけるサブTHzチャネル性能向上の可能性を、パassive reflecting surface（PRS）を用いて評価すること。
• 将来の再構成可能知能表面（RIS）の展開および6GサブTHzチャネルの標準化に向けた基盤データを提供すること。

提案手法

• ニューヨーク市内の4つの工場で、5–85 mの距離をカバーする視線内（LOS）および視線外（NLOS）条件の下、合計82の送信機-受信機（TX-RX）リンク測定を実施した。
• 1 GHzのRF帯域幅を有するスライディング相関ベースの広帯域チャネルサウンダーを用い、8°の半力幅（HPBW）を持つステアブル27 dBi利得のホーンアンテナを採用した。
• 垂直および水平両極化を用いた方向性測定を、受信機高さ1.5 m（高）および0.5 m（低）の2段階で実施し、ハンドヘルドデバイスおよびAGVを模倣した。
• 1 m × 1 mの平らなアルミ製PRSを水平面で系統的に回転させ、最適な反射角を特定した。これはRISビームフォーミングを模倣するものである。
• 75,000件を超える方向性電力遅延プロファイルを収集し、共偏波およびクロス偏波構成の路損モデルを導出した。
• 自然なチャネル性能とPRS支援性能を比較し、全方向および方向性路損の低減を定量的に評価した。

Figure 1 : TX and RX locations in Factory A. Six TX locations are denoted as stars, and 17 RX locations are denoted as circles, resulting in 27 TX-RX location pairs for channel measurements.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 142 GHz帯の実際の屋内工場建物において、距離および環境タイプ（LOS対NLOS）に応じて路損はどのように変化するか？
• RQ2 工場環境における受信機高さ（1.5 m 対 0.5 m）が、特にAGV搭載デバイスの路損に与える影響は何か？
• RQ3 パassive reflecting surface（PRS）は、工場シナリオにおけるサブTHzチャネル性能をどの程度向上できるか？
• RQ4 142 GHz帯におけるPRSの配置および向きが、方向性および全方向路損に与える影響は何か？
• RQ5 サブTHz工場チャネルにおけるクロス偏波分離度（XPD）の統計的特性は何か？

主な発見

• 工場環境におけるNLOS条件の全方向路損指数（PLE）は3.1であり、オフィス（2.7）および都市部（2.9）環境よりも高い。これは、重いクラッターによる路損の増加を示している。
• 低受信機高さ（0.5 m）では、視線内条件下で平均10.7 dB、視線外条件下で平均6.0 dB、高受信機高さ（1.5 m）よりも路損が増加する。これは、遮蔽および散乱の増加に起因する。
• 1つのPRSは、最適な反射方向で最大37.8 dB、平均25 dBの方向性路損低減を達成できる。最大効果は、送信機-受信機距離が最も短い場合に観測された。
• PRS支援による全方向チャネル利得は最大22 dB、最小0.5 dB向上し、平均で6.5 dB向上した。これは、NLOSおよび近いアウトージョ状況において顕著な利点を示している。
• PRS効果はNLOS条件下で最も顕著であり、PRS強化路が支配的となる一方、LOS条件下では他の多径成分（MPC）が依然として主な寄与を示す。
• クロス偏波分離度（XPD）は統計的に特徴づけられ、多様なアンテナ構成を想定した共偏波およびクロス偏波路損モデルの構築を支援する。

Figure 2 : Photos taken from Factory B. The TX was set at 2.5 m, and the RX was set at 1.5 m.