[論文レビュー] Millimeter-Wave Distance-Dependent Large-Scale Propagation Measurements and Path Loss Models for Outdoor and Indoor 5G Systems

Shu Sun, George R. MacCartney+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、28 GHzおよび73 GHzにおける都市マイクロセルラーおよび屋内オフィス環境での広範なミリ波伝搬測定を実施し、5つのパスロスモデルの性能を評価している。クローズイン（CI）および周波数重み付きCI（CIF）モデルが、優れた物理的根拠、パラメータの安定性、および低い複雑性を備えており、他のモデルを上回っている。屋外環境ではCIが最適であり、屋内環境では周波数依存パスロスを考慮できるCIFが最適である。

ABSTRACT

This paper presents millimeter-wave propagation measurements for urban micro-cellular and indoor office scenarios at 28 GHz and 73 GHz, and investigates the corresponding path loss using five types of path loss models, the singlefrequency floating-intercept (FI) model, single-frequency closein (CI) free space reference distance model, multi-frequency alpha-beta-gamma (ABG) model, multi-frequency CI model, and multi-frequency CI model with a frequency-weighted path loss exponent (CIF), in both line-of-sight and non-line-of-sight environments. Results show that the CI and CIF models provide good estimation and exhibit stable behavior over frequencies and distances, with a solid physical basis and less computational complexity when compared with the FI and ABG models. Furthermore, path loss in outdoor scenarios shows little dependence on frequency beyond the first meter of free space propagation, whereas path loss tends to increase with frequency in addition to the increased free space path loss in indoor environments. Therefore, the CI model is suitable for outdoor environments over multiple frequencies, while the CIF model is more appropriate for indoor modeling. This work shows that both the CI and CIF models use fewer parameters and offer more convenient closedform expressions suitable for analysis, without compromising model accuracy when compared to current 3GPP and WINNER path loss models.

研究の動機と目的

• 28 GHzおよび73 GHzにおける都市マイクロセルラーおよび屋内オフィス環境での大規模ミリ波パスロスを同定すること。
• 視線内（LOS）および視線外（NLOS）条件下で、5つのパスロスモデル（FI、CI、ABG、多周波数CI、CIF）の性能を評価すること。
• 屋外および屋内5Gミリ波システムに最適な物理的根拠が強く、パラメータが安定し、計算コストが低いモデルを特定すること。
• 屋内と屋外環境における周波数依存パスロスの程度を定量化し、モデル選定への影響を評価すること。
• 周波数および距離にわたる実測データとモデルの頑健性に基づき、5Gシステム設計に向けたモデル推奨を提示すること。

提案手法

• マンハッタンで方向性ホーンアンテナおよびスプレッドスペクトラムチャネルサウンダーを用いて、28 GHzおよび73 GHzの屋外および屋内ミリ波伝搬測定を実施した。
• 800 MHzのRF帯域幅および2.5 nsの時間分解能を有する10,000件以上のパワー遅延プロファイル（PDP）を取得し、距離に伴うパスロスを推定した。
• 測定データを用いて、単一周波数FIおよびCI、および多周波数ABG、CI、CIFモデルの5つのパスロスモデルを評価した。
• CIモデルは、自由空間基準距離を1 mとし、パスロス指数（PLE）を用いて、PL = 10n log10(d/d₀) + A（d₀ = 1 m）としてパスロスをモデル化する。
• CIFモデルは、CIモデルに周波数依存項を追加したものであり、PL = 10n log10(d/d₀) + 10b log10(f/f₀) + A（bは周波数依存性を表す）と定式化される。
• モデルの性能は、残差の標準偏差およびパラメータの物理的妥当性を評価基準とし、特に安定性と単純性に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 28 GHzおよび73 GHzにおける屋外都市マイクロセルラー環境と屋内オフィス環境との間で、パスロス特性にどのような差が生じるか？
• RQ2 FI、CI、ABG、多周波数CI、CIFのうち、物理的正確性、パラメータ安定性、計算単純性のバランスを最も良く満たすモデルはどれか？
• RQ3 自由空間損失を超えて、屋外と屋内環境におけるパスロスは周波数にどの程度依存するか？
• RQ4 CIFモデルがCIモデルと比較して屋内環境において周波数依存項を含めることで、モデルの正確性が顕著に向上するか？
• RQ5 CIまたはCIFモデルは、物理的根拠が強く、複雑性が低いことから、現在の3GPPおよびWINNERモデルに代わって5Gミリ波システム設計に採用可能か？

主な発見

• CIモデルは、屋外環境において安定的かつ物理的根拠を持つパスロスモデルを提供し、視線内（LOS）ではパスロス指数（PLE）が2.0、視線外（NLOS）では3.4と、理論的自由空間損失および実測観察とよく一致する。
• CIFモデルは、屋内環境において標準偏差を2.1 dB（LOS）および10.4 dB（NLOS）にまで低減し、CIモデル（2.3 dBおよび10.9 dB）を上回る性能を示した。これは、周波数依存項のおかげである。
• 屋内パスロスは顕著な周波数依存性を示し（LOSではb = 0.18、NLOSではb = 0.21）、一方、屋外パスロスは1 m自由空間損失を超えてほとんど周波数依存性がなく（LOSではb = -0.06、NLOSではb = -0.00）、最小限に抑えられる。
• ABGモデルは標準偏差がわずかに優れており10.3 dBであったが、LOSにおける勾配減衰項が0.9と物理的に不自然な低損失を示し、物理的信頼性を損なう。
• CIおよびCIFモデルはパラメータ数が少なく、閉形式の式を有するため、FIやABGのような複雑なモデルよりもシステムレベルの解析に適している。
• 屋外5Gミリ波システムには、単純性と安定性を考慮しCIモデルを推奨する。屋内システムには、周波数依存パスロスを捉える能力を有するCIFモデルを推奨する。