[论文解读] Millimeter Wave and Sub-Terahertz Spatial Statistical Channel Model for an Indoor Office Building

Shihao Ju, Yunchou Xing+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 45被引用 13

一句话总结

本文基于大量测量，提出了一种适用于毫米波和亚太赫兹频段（28 GHz 和 140 GHz）的室内办公环境三维空间统计信道模型。该模型将时间簇建模为泊松分布，簇内子径为复合指数分布，从而实现对全向、定向及 MIMO 信道在高达 150 GHz 频率下的高精度 NYUSIM 仿真，与实测的均方根延迟扩展和角扩展统计特性高度一致。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) and sub-Terahertz (THz) frequencies are expected to play a vital role in 6G wireless systems and beyond due to the vast available bandwidth of many tens of GHz. This paper presents an indoor 3-D spatial statistical channel model for mmWave and sub-THz frequencies based on extensive radio propagation measurements at 28 and 140 GHz conducted in an indoor office environment from 2014 to 2020. Omnidirectional and directional path loss models and channel statistics such as the number of time clusters, cluster delays, and cluster powers were derived from over 15,000 measured power delay profiles. The resulting channel statistics show that the number of time clusters follows a Poisson distribution and the number of subpaths within each cluster follows a composite exponential distribution for both LOS and NLOS environments at 28 and 140 GHz. This paper proposes a unified indoor statistical channel model for mmWave and sub-Terahertz frequencies following the mathematical framework of the previous outdoor NYUSIM channel models. A corresponding indoor channel simulator is developed, which can recreate 3-D omnidirectional, directional, and multiple input multiple output (MIMO) channels for arbitrary mmWave and sub-THz carrier frequency up to 150 GHz, signal bandwidth, and antenna beamwidth. The presented statistical channel model and simulator will guide future air-interface, beamforming, and transceiver designs for 6G and beyond.

研究动机与目标

• 为室内办公环境中的毫米波和亚太赫兹频段开发统一的统计信道模型，以支持 6G 系统设计。
• 基于大量 28 GHz 和 140 GHz 测量，表征路径损耗、时间簇和子径分布特性。
• 利用 NYUSIM 框架实现对 28–150 GHz 范围内全向、定向及 MIMO 信道的精确仿真。
• 通过实测的均方根延迟扩展和角扩展统计特性验证模型性能。
• 提供毫米波和亚太赫兹频段视 Line-of-Sight（LOS）与非视 Line-of-Sight（NLOS）条件下的经验统计参数及分布拟合结果。

提出的方法

• 在室内办公环境中对 28 GHz 和 140 GHz 频段进行了超过 15,000 次功率延迟轮廓（PDP）测量。
• 推导出全向与定向路径损耗模型，考虑自由空间路径损耗及距离相关路径损耗指数。
• 将时间簇数量建模为泊松分布，簇内子径数量建模为复合指数分布。
• 利用实测统计特性校准 NYUSIM 3.0 室内信道仿真器，以生成合成的 PDP 和 APS 样本。
• 在 LOS 和 NLOS 场景下，将仿真得到的次级统计特性（均方根延迟扩展与角扩展）与实测值进行对比验证。
• 提供参数表格（表 VI 和表 VII），包含 28 GHz 和 140 GHz 的经验统计参数，包括路径损耗、簇数、子径数及延迟扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 28 GHz 和 140 GHz 频段下，LOS 与 NLOS 条件下的时间簇与子径分布如何变化？
• RQ2 在室内办公环境中，28 GHz 和 140 GHz 的路径损耗特性如何，特别是去除首米自由空间损耗后？
• RQ3 是否可以建立一个统一的统计信道模型，准确表征室内场景下的毫米波与亚太赫兹频段？
• RQ4 NYUSIM 仿真器在多大程度上能够复现实测的均方根延迟扩展与角扩展统计特性？
• RQ5 在 28 GHz 与 140 GHz 频率下，随着频率升高，观测到的子径数量如何变化？

主要发现

• 在 28 GHz 和 140 GHz 的 LOS 与 NLOS 环境中，时间簇数量均符合泊松分布。
• 在两个频段及所有传播条件下，每个簇内的子径数量均符合复合指数分布。
• 在 140 GHz 频段，观测到的总子径数量显著少于 28 GHz，表明路径损耗更高且多径丰富度降低。
• 在去除首米自由空间损耗后，28 GHz 与 140 GHz 的 NLOS 路径损耗指数相近，表明路径损耗的缩放特性相似。
• NYUSIM 3.0 仿真得到的均方根延迟扩展与角扩展值在 LOS 与 NLOS 场景下均与实测统计特性高度一致。
• 统一的统计模型可准确生成任意高达 150 GHz 的毫米波与亚太赫兹频段的全向、定向及 MIMO 信道。