[论文解读] Indoor Coverage Enhancement for mmWave Systems with Passive Reflectors: Measurements and Ray Tracing Simulations

Wahab Khawaja, Özgür Özdemir+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 4被引用 6

一句话总结

本文提出使用被动金属反射板来增强28 GHz频段非视 Line-of-Sight（NLOS）室内环境中的毫米波覆盖。通过软件定义无线电测量和射线追踪仿真，研究结果表明，尺寸最大达33×33英寸的方形反射板相较于无反射板场景，可实现中位20 dB的接收信号功率增益，而曲面反射板进一步减少了覆盖盲区。

ABSTRACT

The future 5G networks are expected to use millimeter wave (mmWave) frequency bands, mainly due to the availability of large unused spectrum. However, due to high path loss at mmWave frequencies, coverage of mmWave signals can get severely reduced, especially for non-line-of-sight (NLOS) scenarios. In this work, we study the use of passive metallic reflectors of different shapes/sizes to improve mmWave signal coverage for indoor NLOS scenarios. Software defined radio based mmWave transceiver platforms operating at 28 GHz are used for indoor measurements. Subsequently, ray tracing (RT) simulations are carried out in a similar environment using Remcom Wireless InSite software. The cumulative distribution functions of the received signal strength for the RT simulations in the area of interest are observed to be reasonably close with those obtained from the measurements. Our measurements and RT simulations both show that there is significant (on the order of 20 dB) power gain obtained with square metallic reflectors, when compared to no reflector scenario for an indoor corridor. We also observe that overall mmWave signal coverage can be improved utilizing reflectors of different shapes and orientations.

研究动机与目标

• 解决因路径损耗过高导致的室内非视 Line-of-Sight（NLOS）环境中毫米波信号严重衰减的问题。
• 研究被动金属反射板作为主动中继器的低成本、免维护替代方案，在毫米波覆盖增强中的应用。
• 评估反射板形状、尺寸和方向对真实室内走廊中接收信号强度的影响。
• 通过实测数据验证射线追踪仿真结果，确保其在预测覆盖性能方面的准确性。
• 优化反射板几何形状，以最小化阴影区域中的覆盖盲区。

提出的方法

• 使用National Instruments PXI软件定义无线电平台，在室内走廊中开展28 GHz频段的真实毫米波信道测量。
• 部署平面、圆柱形、球形及曲面金属反射板，尺寸与方向各异，以评估其对信号传播的影响。
• 利用Remcom Wireless InSite软件进行射线追踪仿真，模拟信号传播，并与实测数据进行对比。
• 采用接收信号强度的累积分布函数（CDF）对不同反射板配置下的测量与仿真结果进行定量比较。
• 通过设计曲率角为5°和10°的曲面反射板，优化反射板几何形状，以改善波束扩展并减少覆盖盲区。
• 分析了天线辐射图与反射板距离对接收效率和覆盖均匀性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在28 GHz频段的室内NLOS场景中，被动金属反射板能在多大程度上提升毫米波信号覆盖？
• RQ2 反射板尺寸、形状和方向如何影响接收信号强度与覆盖均匀性？
• RQ3 射线追踪仿真能否准确预测带有反射板的真实毫米波传播行为？
• RQ4 何种反射板几何形状可最小化室内走廊阴影区域的覆盖中断？
• RQ5 与无反射板基准相比，使用被动反射板可实现的最大接收信号功率增益是多少？

主要发现

• 与无反射板场景相比，使用24×24英寸和33×33英寸方形金属反射板可实现约20 dB的中位接收信号功率增益。
• 24×24英寸反射板在45°方位角时提供最高的接收信号功率增益，表明该角度为定向反射的最优对准。
• 射线追踪仿真结果与实测的接收信号强度CDF高度吻合，验证了仿真模型在毫米波传播与反射板结合场景下的准确性。
• 与平面反射板相比，圆柱形和球形反射板减少了覆盖盲区，但实测与仿真结果之间存在性能差异。
• 10°曲面反射板在顶部左侧接收网格区域的覆盖中断最小，因其具有更优的射线发散特性，优于5°曲面反射板。
• 当反射板尺寸超过某一临界值后，反射增益的提升趋于饱和，表明存在功率收集的饱和效应。