[论文解读] 140 GHz Urban Microcell Propagation Measurements for Spatial Consistency Modeling

Shihao Ju, Theodore S. Rappaport|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 24被引用 7

一句话总结

本文在纽约大学庭院内沿一条102米长的矩形路径进行了142 GHz室外城市微蜂窝传播测量，以表征太赫兹频段信道的空间一致性。通过阴影衰落、时延扩展和角扩展的空间自相关分析，发现相关距离分别为3.8米（阴影衰落）、11.8米（时延扩展）和12.0米（角扩展），表明在142 GHz频段，阴影衰落的空间相关性显著短于3GPP针对低于100 GHz频段所规定的模型。

ABSTRACT

Sub-Terahertz frequencies (frequencies above 100 GHz) have the potential to satisfy the unprecedented demand on data rate on the order of hundreds of Gbps for sixth-generation (6G) wireless communications and beyond. Accurate beam tracking and rapid beam selection are increasingly important since antenna arrays with more elements generate narrower beams to compensate for additional path loss within the first meter of propagation distance at sub-THz frequencies. Realistic channel models for above 100 GHz are needed, and should include spatial consistency to model the spatial and temporal channel evolution along the user trajectory. This paper introduces recent outdoor urban microcell (UMi) propagation measurements at 142 GHz along a 39 m $ imes$ 12 m rectangular route (102 m long), where each consecutive and adjacent receiver location is 3 m apart from each other. The measured power delay profiles and angular power spectrum at each receiver location are used to study spatial autocorrelation properties of various channel parameters such as shadow fading, delay spread, and angular spread along the track. Compared to the correlation distances reported in the 3GPP TR 38.901 for frequencies below 100 GHz, the measured correlation distance of shadow fading at 142 GHz (3.8 m) is much shorter than the 10-13 m as specified in 3GPP; the measured correlation distances of delay spread and angular spread at 142 GHz (both 12 m) are comparable to the 7-10 m as specified in 3GPP. This result may guide the development of a statistical spatially consistent channel model for frequencies above 100 GHz in the UMi street canyon environment.

研究动机与目标

• 研究6G无线系统在城市微蜂窝环境中142 GHz频段关键信道参数的空间一致性。
• 沿102米长的矩形路径测量并分析阴影衰落、时延扩展和角扩展的空间自相关特性。
• 量化太赫兹频段大尺度参数的相关距离，以支持精确的统计信道建模。
• 将实测相关距离与3GPP TR 38.901中针对低于100 GHz频段的规定进行比较。
• 支持6G系统中波束跟踪与波束成形所需的空间一致性信道模型开发。

提出的方法

• 在纽约大学庭院内使用可旋转高增益喇叭天线（发射端高度4米，接收端高度1.5米）进行室外142 GHz传播测量。
• 在一条39米×12米的矩形路径上部署34个接收点（总长102米），相邻点间距为3米。
• 在每个接收点测量功率时延轮廓和角谱功率，以提取大尺度参数：阴影衰落、均方根时延扩展和角扩展。
• 采用空间自相关函数（SAF）分析，利用指数衰减正弦模型拟合信道参数的经验SAF。
• 通过拟合得到的SAF参数（D1和D2）计算相关距离，公式为：相关距离 = D2（指数衰减分量）。
• 区分视 Line-of-Sight（LOS）和非视 Line-of-Sight（NLOS）传播条件，以评估视距与非视距环境下参数的变异性。

Figure 1 : 142 GHz outdoor local area measurement locations.

实验结果

研究问题

• RQ1 在城市微蜂窝街道峡谷环境中，142 GHz频段阴影衰落的空间相关距离是多少？
• RQ2 142 GHz频段时延扩展和角扩展的空间相关距离与3GPP TR 38.901中针对低于100 GHz频段的规定相比如何？
• RQ3 在142 GHz频段，LOS与NLOS传播条件下信道参数的空间自相关特性有何差异？
• RQ4 环境对称性在多大程度上影响了空间自相关函数中观察到的振荡行为？
• RQ5 指数衰减正弦函数能否准确建模太赫兹频段大尺度信道参数的空间相关性？

主要发现

• 实测得到的142 GHz频段阴影衰落空间相关距离为3.8米，显著短于3GPP TR 38.901中针对低于100 GHz频段规定的10–13米范围。
• 142 GHz频段时延扩展的相关距离为11.8米，与3GPP针对低于100 GHz频段规定的7–10米范围相当。
• 142 GHz频段角扩展的相关距离为12.0米，与3GPP TR 38.901中针对较低频段报告的7–10米范围相当。
• NLOS接收点的时延扩展（标准差23.9 ns）和角扩展（标准差0.32弧度）方差高于LOS点（分别为13.3 ns和0.22弧度）。
• 指数衰减正弦函数能良好拟合所有三个参数的空间自相关函数，表明由于环境对称性，可能存在振荡性空间相关模式。
• 结果表明，6G系统在太赫兹频段的空间一致性模型必须考虑比当前3GPP模型假设更短的阴影衰落相关距离。

Figure 2 : Omnidirectional PDPs with absolute time delays on the links from TX1 to RX1-RX34.