[論文レビュー] Stochastic Fading Channel Models with Multiple Dominant Specular Components for 5G and Beyond

Juan M. Romero–Jerez, F. Javier López‐Martínez+2 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 28被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、任意の数 $N$ の主要なスペキュラー成分と拡散波を有する multipath 複態チャネルを統一的統計枠組みでモデル化する手法を提案する。Rician または Rician シャドーイング分布の連続混合を用い、位相分布にわたる統合により、PDF、CDF、MGF に対する正確な解析的表現を可能にし、$N$ が増加するにつれてシステム性能が劣化することを明らかにした。特に $N=1$ の場合が、振幅揺らぎが小さくなるため最適な結果をもたらす。

ABSTRACT

We introduce a comprehensive statistical characterization of the multipath wireless channel built as a superposition of a number of scattered waves with random phases. We consider an arbitrary number $N$ of specular (dominant) components plus other diffusely propagating waves. Our approach covers the cases on which the specular components have constant amplitudes, as well as when these components experience random fluctuations. These propagation scenarios are found in different use cases of 5G networks, as well as in the context of large intelligent surface based communications. We show that this class of fading models can be expressed in terms of a continuous mixture of an underlying Rician (or Rician shadowed) fading model, averaged over the phase distributions of the specular waves. It is shown that the fluctuations of the specular components have a detrimental impact on performance, and the best performance is obtained when there is only one specular component.

研究の動機と目的

• 複数の主要なスペキュラー成分を有する multipath 複態チャネルの包括的統計的特徴付けを実現すること。
• スペキュラー成分の振幅が一定値をとる場合またはランダムに変動する場合のシナリオをモデル化すること。
• TWDP や Rician シャドーイング複態モデルを任意の $N$ に一般化すること。
• インテリジェントな表面通信を含む先進的な 5G 以降システムにおける正確な性能評価を可能にすること。
• PDF、CDF、および遮断容量などの主要なチャネル指標の取り扱いやすい解析的表現を提供すること。

提案手法

• 受信信号を、位相がランダムな $N$ 個のスペキュラー波と拡散成分の重ね合わせとしてモデル化し、振幅は固定またはランダムに変動する。
• 信号エナメル分布を、スペキュラー成分の位相分布にわたる平均化により、基本的な Rician または Rician シャドーイング分布の連続混合として表現する。
• 確率密度関数（PDF）および累積分布関数（CDF）は、滑らかな被積分関数の $[0, 2 au]$ 上の定積分により導出され、数値評価が可能となる。
• モーメント生成関数（MGF）を導出することで、特に遮断容量の性能解析を支援する。
• 本フレームワークは、任意の $N$ を許容し、フェージングパラメータ $m$ を用いて振幅揺らぎを統合することで、先行モデルを一般化する。
• モンテカルロシミュレーションを用いた妥当性検証により、さまざまな $N$ および振幅設定において、解析的曲線と優れた一致を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 振幅がランダムに変動する任意の数 $N$ の主要スペキュラー成分を含む multipath 複態の統計的モデルを、どのように一般化できるか？
• RQ2 古典的 Rician または Rayleigh モデルと比較して、複数のスペキュラー成分が受信信号エナメル分布の形状に与える影響は何か？
• RQ3 スペキュラー成分の振幅揺らぎが、遮断容量などのシステム性能指標に与える影響は何か？
• RQ4 PDF、CDF、MGF に対して、$N=1$ および $N=2$ の場合に既知のモデルに還元できる統一的解析的フレームワークを構築できるか？
• RQ5 遮断容量の観点から、さまざまな $N$ 値の性能順位は何か？また、Rayleigh および Rician 複態と比較するとどうなるか？

主な発見

• $N=2$ および $N=3$ の場合、特にバランス型構成において、受信信号エナメルの PDF は非単峰的となることが判明し、複雑な複態行動を示す。
• $N=4$ の場合、PDF の形状は Rayleigh 分布に近づき始め、より拡散的複態に近づく遷移を示唆する。
• $N=2$ の場合、2つの主要な波による破壊的干渉のため、Rayleigh 複態よりも性能が悪化し、遮断容量性能が最悪となる。
• $N$ を 2 を超えて増加させると性能が向上し、$N=4$ の場合、Rayleigh 褊態に非常に近い性能水準に達する。
• 振幅が揺らぎを示す FNR 褒態モデル（Fading Specular Reflection）は、振幅が一定の NWDP モデル（Non-Fading Wavefront Path）と比較して、特に $N$ が大きい場合に性能が劣化する傾向を示す。
• 最適な性能は $N=1$ で達成され、これは単一の強い視線内成分が支配的である Rician または Rician シャドーイングモデルに対応する。