[论文解读] Impact of atmospheric impairments on mmWave based outdoor communication

P. Nagaraj|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 4被引用 11

一句话总结

本文通过基于 MATLAB 的仿真，研究了大气条件——降水、雾和大气吸收——对毫米波（mmWave）室外通信系统的影响。结果表明，路径损耗在雨强和湿度增加时显著上升，尤其在 30 GHz 以上频段，凸显了其对 5G mmWave 网络在室外环境中部署的关键限制因素。

ABSTRACT

Substantial growth of demand for mobile data and rapidly increasing spread of personal communication devices such as smart phones and tablets is the major challenge faced by the mobile service providers in recent years. The allotted spectrum for the currently operating mobile communication systems have been saturated in the last few years by such a considerable rate that the future fifth generation network would not be able to operate without applying new frequencies. In accordance with the concept of 5G, millimeter wave frequency band will also be used along with the currently used frequency bands. In this particular spectrum however, a new and most significant attenuation factor due to precipitation and atmospheric absorption is introduced. In this paper the effects of precipitation, fog and atmospheric absorption on millimeter wave propagation are investigated using MATLAB.

研究动机与目标

• 分析大气衰减对室外环境中毫米波传播的影响。
• 量化毫米波频段中由降水、雾和大气吸收引起的路径损耗。
• 评估在真实天气条件下，毫米波系统在 5G 网络中的可行性。
• 为室外场景下稳健的 5G 网络规划提供基于仿真的洞察。

提出的方法

• 基于 MATLAB 对 24 GHz 至 100 GHz 频段的毫米波路径损耗进行仿真。
• 采用 ITU-R P.835-4 模型对氧气和水蒸气吸收引起的衰减进行建模。
• 利用 ITU-R P.838-3 模型对不同降雨强度（0–200 mm/h）下的降雨衰减进行建模。
• 利用 ITU-R P.838-3 模型对不同能见度水平（10–100 m）下的雾衰减进行仿真。
• 汇总多个频段下各大气成分引起的总路径损耗。
• 通过 6 幅图表可视化结果，展示路径损耗随频率和天气条件的变化趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 雨强如何影响 30 GHz 以上频段的路径损耗？
• RQ2 雾对毫米波室外链路信号衰减的贡献有多大？
• RQ3 氧气和水蒸气在毫米波频段的衰减特性如何随频率变化？
• RQ4 多种大气效应的综合影响在多大程度上会降低室外场景中毫米波链路的预算？
• RQ5 基于仿真的建模能否预测最容易受到大气衰减影响的关键频段？

主要发现

• 随着降雨强度增加，路径损耗显著上升，在 100 mm/h 降雨率下，30 GHz 以上频段的路径损耗超过 100 dB。
• 在 60 GHz 频段，10 米能见度的雾可导致每公里高达 20 dB 的附加衰减。
• 由于氧气共振强烈，大气吸收在 60 GHz 处达到峰值，导致每公里最大损耗达 15 dB。
• 在强降雨条件下，雨、雾和吸收的综合效应使 60 GHz 处的总路径损耗超过 120 dB。
• 60–100 GHz 频段受到最严重的影响，因此在未使用波束成形或中继器的情况下，不适合长距离室外毫米波链路。
• 24–30 GHz 频段表现出相对较低的衰减，因此在恶劣天气条件下更适合室外毫米波部署。