[论文解读] A Millimeter-Wave Channel Simulator NYUSIM with Spatial Consistency and Human Blockage

Shihao Ju, Ojas Kanhere+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 18被引用 13

一句话总结

本论文提出 NYUSIM 2.0，一种增强的毫米波信道仿真器，引入了空间一致性、基于四状态马尔可夫模型的人体遮挡建模，以及采用抛物线模型的室外到室内穿透损耗。该仿真器可沿用户轨迹生成时变、相关的信道冲激响应，提升了 5G 及以上毫米波系统评估的真实性。

ABSTRACT

Accurate channel modeling and simulation are indispensable for millimeter-wave wideband communication systems that employ electrically-steerable and narrow beam antenna arrays. Three important channel modeling components, spatial consistency, human blockage, and outdoor-to-indoor penetration loss, were proposed in the 3rd Generation Partnership Project Release 14 for mmWave communication system design. This paper presents NYUSIM 2.0, an improved channel simulator which can simulate spatially consistent channel realizations based on the existing drop-based channel simulator NYUSIM 1.6.1. A geometry-based approach using multiple reflection surfaces is proposed to generate spatially correlated and time-variant channel coefficients. Using results from 73 GHz pedestrian measurements for human blockage, a four-state Markov model has been implemented in NYUSIM to simulate dynamic human blockage shadowing loss. To model the excess path loss due to penetration into buildings, a parabolic model for outdoor-to-indoor penetration loss has been adopted from the 5G Channel Modeling special interest group and implemented in NYUSIM 2.0. This paper demonstrates how these new modeling capabilities reproduce realistic data when implemented in Monte Carlo fashion using NYUSIM 2.0, making it a valuable measurement-based channel simulator for fifth-generation and beyond mmWave communication system design and evaluation.

研究动机与目标

• 为解决现有毫米波信道仿真器缺乏空间一致性的问题，这些仿真器在相邻位置生成不相关的信道状态。
• 对毫米波系统中的动态人体遮挡效应进行建模，其中短波长导致因身体遮挡引起的深度信号衰落。
• 将真实室外到室内穿透损耗纳入毫米波信号，特别是通过 IRR 玻璃和混凝土等材料。
• 在 NYUSIM 1.6.1 的基础上扩展新仿真能力，支持连续、基于轨迹的信道生成，以实现更精确的系统级评估。
• 为研究人员和工程师提供基于实测数据的开源工具，用于评估波束成形、波束管理及 MIMO 性能，以实现真实毫米波环境下的系统评估。

提出的方法

• 采用基于几何的方法，利用多个反射面生成沿用户轨迹的空间相关且时变的小尺度参数。
• 实现四状态马尔可夫模型以模拟人体遮挡事件，状态转移和阴影衰落损耗取决于接收端天线波束宽度和空间波瓣宽度。
• 利用 73 GHz 人体测量数据的线性拟合，确定遮挡状态的转移速率和平均衰减水平。
• 采用抛物线模型对室外到室内（O2I）穿透损耗进行建模，根据载波频率设置低损耗（玻璃、木材）和高损耗（混凝土、IRR 玻璃）两种配置。
• 仿真器支持两种模式：基于丢弃的模式（独立信道丢弃）和空间一致性模式（相关、基于轨迹的 CIR），用户可自定义线性或六边形轨迹。
• 输出包括时变的功率延迟分布（PDP）、三维角度功率谱，以及空间相关的阴影衰落图，全部存储用于系统级测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使毫米波信道仿真器生成反映短距离内信号变化相关性的空间一致信道实现？
• RQ2 何种马尔可夫模型参数最能复现毫米波频段（特别是 73 GHz）实测的人体遮挡动态特性？
• RQ3 室外到室内穿透损耗如何随频率和建筑材质类型变化？能否使用抛物线函数准确建模？
• RQ4 在信道仿真中引入空间一致性和动态遮挡后，对波束成形和 MIMO 系统评估的信道仿真真实性提升程度如何？
• RQ5 扩展后的 NYUSIM 2.0 仿真器能否生成连续、时变的信道输出，使其与真实世界测量中功率延迟分布和角度参数的趋势相匹配？

主要发现

• NYUSIM 2.0 成功利用基于几何的多反射面方法，沿用户轨迹生成空间一致、时变的信道冲激响应（CIR）。
• 人体遮挡的四状态马尔可夫模型准确复现了实测的 73 GHz 人体遮挡统计特性，其转移速率和平均衰减水平由实测数据推导得出。
• O2I 穿透损耗模型对低损耗材料（如玻璃）的标准差为 4.0 dB，对高损耗材料（如混凝土）的标准差为 6.0 dB，与基于实测数据的模型一致。
• NYUSIM 2.0 生成的连续全向和定向 PDP 展现出真实的功率变化和延迟漂移，每个快照均存储绝对时间延迟。
• 仿真器生成空间相关的阴影衰落及视 Line-of-Sight（LOS）/非视 Line-of-Sight（NLOS）状态，反映附近用户位置的一致传播条件。
• 输出包含三维角度功率谱和波束成形 PDP，可准确评估真实毫米波环境中波束成形和波束管理算法的性能。