[论文解读] An Accurate Model to Estimate 5G Propagation Path Loss for the Indoor Environment

Hassan Zakeri, Reza Sarraf Shirazi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2023

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种新颖的单参数路径损耗模型 ZMS，适用于 5G 毫米波（28 GHz）室内环境，通过引入灵活的距离相关修正项，相较于现有模型（如 CI 和 FI）提高了精度。在阿米尔卡比尔理工大学真实室内环境中进行的仿真显示，ZMS 有效降低了标准偏差，并在视 Line-of-Sight（LOS）和非视 Line-of-Sight（NLOS）条件下，对 V-V、V-H 和 V-Omni 极化方式的路径损耗预测均表现更优。

ABSTRACT

This paper presents a new large-scale propagation path loss model to design a fifth-generation (5G) wireless communication system for indoor environments. Simulations for the indoor environment, for all polarization at non-line-of-sight (NLOS) and line-of-sight (LOS), which are performed per meter over a distance of 47 m between each of the separated transmitter antenna (TX) and the receiver antenna (RX) positions to compare better the proposed extensive flexible path loss model with previous models. All the simulations are conducted at the Abu-rayhan buildings at the Amirkabir University of Technology. The results demonstrated that the simple presented model with a single parameter denoted ZMS can predict the expansive path loss over distance more accurately. The values of the path loss exponent (PLE) for the LOS scenario are simulated and achieved at 3.63, 1.81, and 3.42 for the V-H, V-V, and V-Omni antenna polarizations, and for NLOS is 6.11, 4.21, and 5.23 at the 28 GHz frequency for all the polarization antenna type V-H, V-V, and V-Omni, appropriately.

研究动机与目标

• 开发适用于 5G 毫米波（28 GHz）室内通信的更精确的大尺度路径损耗模型。
• 解决现有模型（如 CI 和 FI）在捕捉复杂室内传播效应方面的局限性。
• 评估在视 Line-of-Sight（LOS）和非视 Line-of-Sight（NLOS）场景下，不同天线极化方式（V-V、V-H、V-Omni）的路径损耗性能。
• 通过使用大学建筑环境中的真实世界仿真数据，优化模型参数以最小化预测误差。
• 提供一种具有物理基础且灵活的模型，以改进传统毫米波系统路径损耗模型。

提出的方法

• 在阿米尔卡比尔理工大学第 8 层楼的真实环境中，使用 CST Studio Site 模拟室内传播，材料包括混凝土、玻璃、木材和石膏板。
• 采用参考距离 1 m，利用公式 PL = FSLP + 10n log(d/d₀) + ZMS(f,d) + Xσ，将路径损耗建模为距离、频率（28 GHz）和极化的函数。
• 引入 ZMS 模型，通过单个自适应参数 ZMS(f,d) 表征自由空间损耗和距离相关损耗之外的环境路径损耗。
• 使用 MATLAB 计算模型参数，通过最小化测量数据点间预测误差的标准偏差（σ）实现。
• 通过最小二乘法推导最优路径损耗指数（n）：n = (∑PL − ∑(ZMS)L) / ∑L²。
• 通过统计指标（如 σ 和 n）将 ZMS 模型与 CI 和 FI 模型进行对比，并在所有极化类型中进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 5G 毫米波室内环境中，所提出的 ZMS 模型相较于 CI 和 FI 模型在路径损耗预测精度方面有何提升？
• RQ2 在 28 GHz 频率下，V-V、V-H 和 V-Omni 极化方式在 LOS 和 NLOS 条件下的最优路径损耗指数（n）和标准偏差（σ）值分别是多少？
• RQ3 与固定参数模型相比，引入灵活的 ZMS 项在多大程度上降低了预测误差？
• RQ4 材料特性（如混凝土、玻璃、木材）如何影响室内毫米波传播中的路径损耗？该影响在 ZMS 模型中如何体现？
• RQ5 ZMS 模型是否能在多样化的室内环境和极化配置下，提供比现有模型更精确且一致的预测性能？

主要发现

• 在 LOS 条件下，ZMS 模型对 V-V 极化方式的路径损耗指数（n）为 1.81，显著低于 CI 模型的 2.69，表明其与实测数据的拟合效果更优。
• 在 NLOS 条件下，ZMS 模型对 V-H 极化方式的路径损耗指数为 6.11，预测精度高于 CI 模型的 5.29，且标准偏差更低。
• ZMS 模型将标准偏差降低至 V-V LOS 条件下的 2.75 dB，以及 V-H NLOS 条件下的 6.89 dB，分别低于 CI 模型的 7.56 dB 和 9.65 dB。
• ZMS 模型在所有极化类型和传播条件下，其标准偏差始终低于 FI 模型，证实了其预测可靠性的提升。
• ZMS 模型的单参数灵活性使其能够更好地捕捉复杂的室内传播效应，包括多径效应和材料衰减，优于传统模型。
• 所提出的模型在 LOS 和 NLOS 场景下均表现出优越性能，且在所有测试的极化配置中均实现了最低的整体预测误差。