[論文レビュー] Sub-Terahertz Spatial Statistical MIMO Channel Model for Urban Microcells at 142 GHz

Shihao Ju, Theodore S. Rappaport|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 21被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、都市マイクロセルにおける142 GHz帯の空間的統計的MIMOチャネルモデルを、広範な測定に基づいて提案する。空間的クラスタ数と電力分布のモデル化が行われる。双方向チャネル生成手順を用いて、直視路（LOS）状況では強い直視路パスのためビームフォーミングが空間 multiplexing を上回ることを示し、非直視路（NLOS）状況では限られた強力なクラスタのため、2ストリームの空間 multiplexing がスペクトル効率を最適化することを示す。

ABSTRACT

Sixth generation (6G) cellular systems are expected to extend the operational range to sub-Terahertz (THz) frequencies between 100 and 300 GHz due to the broad unexploited spectrum therein. A proper channel model is needed to accurately describe spatial and temporal channel characteristics and faithfully create channel impulse responses at sub-THz frequencies. This paper studies the channel spatial statistics such as the number of spatial clusters and cluster power distribution based on recent radio propagation measurements conducted at 142 GHz in an urban microcell (UMi) scenario. For the 28 measured locations, we observe one to four spatial clusters at most locations. A detailed spatial statistical multiple input multiple output (MIMO) channel generation procedure is introduced based on the derived empirical channel statistics. We find that beamforming provides better spectral efficiency than spatial multiplexing in the LOS scenario due to the boresight path, and two spatial streams usually offer the highest spectral efficiency at most NLOS locations due to the limited number of spatial clusters.

研究の動機と目的

• 将来の6Gシステム向けに、都市マイクロセル環境における142 GHz帯の空間的チャネル統計を特徴づけること。
• 空間的クラスタ、電力分布、および方位スプレッドの実測データに基づいた統計的MIMOチャネルモデルを構築すること。
• 直視路（LOS）および非直視路（NLOS）状況下におけるビームフォーミングと空間 multiplexing のスペクトル効率のトレードオフを評価すること。
• Sub-THz周波数帯におけるシステムレベルのシミュレーションに実用的なチャネル生成手順を提供すること。

提案手法

• 142 GHz帯で、27 dBi利得、8° HPBWを持つ方向性ホーンアンテナを用いて、12.9–117.4 mの距離で28か所の都市マイクロセル（UMi）伝搬測定を実施した。
• 空間クラスタ数を平均約2クラスタ/地点のポアソン確率変数としてモデル化した。
• 測定されたチャネルインパルス応答から、クラスタ電力分布および全方向的RMS方位スプレッドを導出した。
• 特異値分解（SVD）を用いた双方向MIMOチャネル生成手順を提案。予めビームフォーミングを用いたプレコーディングとコンビニングを実施した。
• 統計的モデルを用いて数千個のチャネル行列をシミュレートし、ビームフォーミングおよび空間 multiplexing 条件下でのスペクトル効率を評価した。
• 基地局に完全なチャネル状態情報（CSI）があると仮定し、基地局と端末にそれぞれ16×8および4×2の均一な長方形アレイ（URAs）を用いた。

Figure 1 : 142 GHz outdoor UMi measurement locations [ 18 ] . TX locations are denoted as stars in different colors. RX locations are denoted as circles. One RX location filled with multiple colors indicates that the channels between this RX location and multiple TX locations were measured.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 都市マイクロセルにおけるSub-THz MIMOチャネルで、142 GHz帯に通常はいくつの空間クラスタが存在するか？
• RQ2 142 GHz帯の直視路（LOS）および非直視路（NLOS）伝搬環境において、クラスタ電力分布と方位スプレッドの分布はどのように変動するか？
• RQ3 Sub-THz MIMOシステムにおいて、空間 multiplexing がビームフォーミングを上回るSNR条件は何か？
• RQ4 142 GHz帯の直視路（LOS）および非直視路（NLOS）状況下で、スペクトル効率を最大化する最適なデータストリーム数は何か？

主な発見

• 全28か所の測定地点における空間クラスタの平均数は約2つであり、1地点あたり1〜4つのクラスタが観測された。
• 直視路（LOS）状況では、強いボアサイドパスのため、特に低SNR条件下でビームフォーミングが空間 multiplexing よりも高いスペクトル効率を達成する。
• 空間 multiplexing がビームフォーミングを上回るスペクトル効率の閾値は、直視路（LOS）状況で24 dB SNR、非直視路（NLOS）状況で15 dB SNRである。
• 非直視路（NLOS）環境では、複数のクラスタが同等の電力を有しており、空間 multiplexing に適していることから、2ストリームの空間 multiplexing が最高のスペクトル効率を達成する。
• 最大6つの空間クラスタが観測されたが、弱い遅延到着クラスタは電力が著しく小さく、伝送には信頼性が低い。
• クラスタ電力分布は、最初に到着するクラスタが後続のクラスタよりも顕著に高い電力を有しており、初期反射または直視路成分の強い支配的特性を示している。

Figure 2 : The directional excess time PDP was measured at TX1 and RX14. The received power was recovered by removing system processing gain and antenna gain.