[论文解读] 3-D Statistical Indoor Channel Model for Millimeter-Wave and Sub-Terahertz Bands

Shihao Ju, Yunchou Xing+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 16被引用 4

一句话总结

本文基于在办公室环境中对28 GHz和140 GHz频段进行的广泛实测，提出了一种用于毫米波和亚太赫兹波段的三维统计室内信道模型。该模型利用实测的功率延迟分布和角度统计特性，生成具有现实感的信道冲击响应，仿真结果表明，在视 Line-of-Sight (LOS) 和非视 Line-of-Sight (NLOS) 场景下，仿真与实测的均方根延迟扩展和角度扩展均表现出高度一致性。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) and Terahertz (THz) will be used in the sixth-generation (6G) wireless systems, especially for indoor scenarios. This paper presents an indoor three-dimensional (3-D) statistical channel model for mmWave and sub-THz frequencies, which is developed from extensive channel propagation measurements conducted in an office building at 28 GHz and 140 GHz in 2014 and 2019. Over 15,000 power delay profiles (PDPs) were recorded to study channel statistics such as the number of time clusters, cluster delays, and cluster powers. All the parameters required in the channel generation procedure are derived from empirical measurement data for 28 GHz and 140 GHz line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) scenarios. The channel model is validated by showing that the simulated root mean square (RMS) delay spread and RMS angular spread yield good agreements with measured values. An indoor channel simulation software is built upon the popular NYUSIM outdoor channel simulator, which can generate realistic channel impulse response, PDP, and power angular spectrum.

研究动机与目标

• 为室内办公室环境中的毫米波和亚太赫兹波段开发一个全面的三维统计信道模型，以支持6G系统设计。
• 解决在140 GHz及以上频段缺乏实测、超宽带信道测量数据的问题，以实现对未来无线系统的精准建模。
• 利用实测数据，实现对时延扩展和角度扩展等时域与空域信道特性的真实仿真。
• 为未来6G和太赫兹通信系统开发提供一个标准化、基于实测的参考模型。
• 通过对比仿真与实测的次级统计特性（如均方根延迟扩展和全局角度扩展），对模型进行验证。

提出的方法

• 在2014年（28 GHz）和2019年（140 GHz）期间，在一间65.5 m × 35 m的办公室建筑内开展了超宽带信道探测实验，采集了超过15,000个功率延迟分布（PDPs）。
• 采用基于滑动互相关技术的信道探测仪，配合方向性喇叭天线（28 GHz时为15 dBi增益、30°半功率波束宽度；140 GHz时为27 dBi增益、8°半功率波束宽度），以捕获具有空间分辨能力的PDPs。
• 从实测数据中推导出大尺度路径损耗及小尺度统计参数（如簇数、簇时延、功率、角度扩展），分别针对LOS和NLOS条件。
• 提出一种基于簇的统计模型，其中每个簇的时延、功率和角度参数均采用对数正态分布和正态分布进行建模。
• 在改进版NYUSIM仿真器中实现该模型，以生成全向PDP和功率角度谱（PAS）用于验证。
• 通过对比仿真与实测的累积分布函数，利用次级统计特性（全向均方根延迟扩展和全局均方根角度扩展）对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室内LOS和NLOS场景下，28 GHz与140 GHz频段的时域与空域信道特性（如时延扩展、角度扩展）如何变化？
• RQ2 基于实测数据的统计三维信道模型能否准确再现关键信道统计特性，如均方根时延扩展和角度扩展？
• RQ3 在毫米波和亚太赫兹波段的室内办公室环境中，簇时延、功率和角度参数（AOD/AOA）的统计分布特性是什么？
• RQ4 在不同频段和传播条件下，仿真信道性能在均方根时延扩展和全局角度扩展方面与实测数据的匹配程度如何？
• RQ5 基于实测数据的统计模型在多大程度上可作为未来毫米波和亚太赫兹频段定向通信与MIMO信道建模的可靠基础？

主要发现

• 仿真得到的全向均方根时延扩展与实测值高度一致：28 GHz LOS场景下为13.9 ns（仿真）对比17.9 ns（实测）；28 GHz NLOS场景下为12.5 ns（仿真）对比13.5 ns（实测）。
• 在140 GHz频段，LOS场景下仿真值为3.2 ns，实测值为3.1 ns；NLOS场景下仿真值为5.9 ns，实测值为5.7 ns，表现出极强的一致性。
• 仿真得到的AOD全局均方根角度扩展与实测值偏差在5°以内，适用于28 GHz LOS、28 GHz NLOS和140 GHz NLOS场景。
• 在140 GHz LOS场景中，由于实测样本数量有限，经验分布呈现偏态，但中位数仿真与实测角度扩展仍保持在5°以内。
• 该模型在所有四种场景（28 GHz LOS、28 GHz NLOS、140 GHz LOS、140 GHz NLOS）下，成功再现了实测的时延扩展与角度扩展统计特性。
• 表II中列出的输入参数（如簇数、功率衰减、时延扩展、角度扩展方差）足以生成具有现实感的信道冲击响应和角度功率谱。