[论文解读] 28 GHz mmWave Channel Measurements: A Comparison of Horn and Phased Array Antennas and Coverage Enhancement Using Passive and Active Repeaters

Özgür Özdemir, Fatih Erden+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 15被引用 12

一句话总结

本文提出了一款28 GHz毫米波信道探测仪，比较了喇叭天线与相控阵天线在定向波束成形中的表现，并评估了Metawave公司ECHO无源反射板和TURBO有源中继器在覆盖增强方面的效果。结果表明，ECHO在室内环境中使反射路径功率提升约15 dB，在非视 Line-of-sight（NLOS）场景下配合TURBO可实现高达40 dB的增益，显著提升了毫米波链路的可靠性和传输距离。

ABSTRACT

Propagation channel characteristics are substantially different in sub-6 GHz and millimeter-wave (mmWave) bands. A typical mmWave link experiences more than an order-of-magnitude larger path loss and is more susceptible to blockages than a traditional sub-6 GHz link. Therefore, extensive measurement campaigns with efficient channel sounders are needed for a complete understanding of the mmWave propagation channel characteristics. In addition, solutions should be sought to overcome the outage problems associated with the mmWave bands and to achieve acceptable communication performance. In this paper, our 28 GHz channel sounder is introduced that can be used with horn antennas as well as phased array antennas. The two antenna types are then compared in terms of speed they switch from one direction to another and extracted multipath component (MPC) properties, such as path gain. We then propose the use of passive reflectors and an active repeater for coverage enhancement by improving the received signal strength. In particular, ECHO reflector and TURBO repeater are introduced, and measurement results using them are presented.

研究动机与目标

• 通过使用定向天线表征28 GHz毫米波传播特性，并提取功率角-延迟分布（PADP）。
• 从波束切换速度和多径分量（MPC）特性两个方面，对比机械波束成形（喇叭天线）与电子波束成形（相控阵）的性能。
• 评估无源反射板和有源中继器作为城市和室内环境中毫米波覆盖盲区与遮挡问题的解决方案。
• 展示ECHO（Metawave公司无源反射板）和TURBO（有源中继器）在扩展毫米波信号覆盖范围和可靠性方面的性能提升效果。

提出的方法

• 部署基于NI的毫米波信道探测仪，使用Zadoff-Chu（ZC）序列在28 GHz频段进行信道探测。
• 采用喇叭天线实现机械波束成形，相控阵天线实现电子波束成形，两者均连接至毫米波射频头。
• 测量功率角-延迟分布（PADP），以提取路径增益及多径分量（MPCs）的角分布特性。
• 通过测量室内和室外环境中反射路径功率与总接收功率，评估ECHO无源反射板的性能。
• 在非视 Line-of-sight（NLOS）走廊场景中部署TURBO有源中继器，测量不同RX-TURBO距离下开启与关闭TURBO时的总接收功率。
• 使用铷原子钟同步发射机与接收机，采用双时钟架构以确保基线分离距离超过30米。

实验结果

研究问题

• RQ1 在28 GHz频段下，喇叭天线与相控阵天线在波束切换速度和多径分量（MPC）提取精度方面有何差异？
• RQ2 像ECHO这样的无源反射板在室内和室外毫米波环境中，能在多大程度上增强接收信号强度？
• RQ3 TURBO有源中继器在非视 Line-of-sight（NLOS）毫米波场景中，如何改善信号覆盖范围与接收功率？
• RQ4 在使用ECHO与标准铝制反射板时，环境反射对总接收功率有何影响？

主要发现

• 在最优室内测量点（c₅），与铝制反射板相比，ECHO无源反射板使反射路径功率提升了约15 dB。
• 在室外环境中，由于竞争性多径分量更少，ECHO在总功率和反射路径功率方面均显著优于铝制反射板。
• 在RX-TURBO距离为1米时，TURBO有源中继器实现了高达39.82 dB的接收功率增益，有效降低了NLOS场景下的路径损耗。
• 在RX-TURBO距离为8.5米时，TURBO仍提供18.86 dB的增益，证明其具备有效的远距离覆盖扩展能力。
• 在室内环境中，总接收功率主要由多径反射主导，因此尽管反射路径功率较强，ECHO的相对增益仍受限。
• 相控阵波束成形的波束切换速度优于机械喇叭天线，支持实时毫米波信道跟踪。