[论文解读] Millimeter Wave and Terahertz Urban Microcell Propagation Measurements and Models

Yunchou Xing, Theodore S. Rappaport|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 30被引用 104

一句话总结

本文在2011至2020年间于奥斯汀、曼哈顿和布鲁克林进行了四次大规模室外测量，覆盖了28–142 GHz频段的城区微小区（UMi）环境，系统测量并比较了毫米波与太赫兹波段的路径损耗、时延扩展和角扩展特性。研究发现，当以1米自由空间路径损耗为参考时，各频段的路径损耗指数（PLE）表现出惊人的一致性，表明在载波频率向太赫兹波段提升时，基站间距无需随之减小。

ABSTRACT

Comparisons of outdoor Urban Microcell (UMi) large-scale path loss models, root mean square (RMS) delay spreads (DS), angular spreads (AS), and the number of spatial beams for extensive measurements performed at 28, 38, 73, and 142 GHz are presented in this letter. Measurement campaigns were conducted from 2011-2020 in downtown Austin, Texas, Manhattan (New York City), and Brooklyn, New York with communication ranges up to 930 m. Key similarities and differences in outdoor wireless channels are observed when comparing the channel statistics across a wide range of frequencies from millimeter-wave to sub-THz bands. Path loss exponents (PLEs) are remarkably similar over all measured frequencies, when referenced to the first meter free space path loss, and the RMS DS and AS decrease as frequency increases. The similar PLEs from millimeter-wave to THz frequencies imply that spacing between cellular base stations will not have to change as carrier frequencies increase towards THz, since wider bandwidth channels at sub-THz or THz carrier frequencies will cover similar distances because antenna gains increase quadratically with increasing frequency when the physical antenna area remain constant.

研究动机与目标

• 表征28至142 GHz频段的室外城区微小区（UMi）传播特性，涵盖毫米波与亚太赫兹波段。
• 比较多个频段的路径损耗大尺度模型、均方根时延扩展和角扩展特性。
• 评估频率对信道稀疏性及未来6G系统波束成形需求的影响。
• 为设计太赫兹频段多频带、高容量无线系统提供实测数据支持。

提出的方法

• 2011至2020年间在奥斯汀、曼哈顿和布鲁克林开展四次大规模室外测量活动，测量距离最远达930米。
• 采用基于滑动互相关技术的宽带信道探测系统，并在各频段使用可旋转喇叭天线。
• 应用近点（CI）自由空间参考距离模型（d₀ = 1 m）以统一各频段的路径损耗比较基准。
• 利用30 dB功率阈值检测多径分量，计算路径损耗指数、阴影衰落、均方根时延扩展及角扩展（AOA/AOD）。
• 分析全向与定向信道模型，包括CI（近点自由空间）路径损耗模型。
• 在各频段保持一致的天线波束宽度（7–10°），以确保角统计特性的可比性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室外UMi环境中，28、38、73和142 GHz频段的路径损耗指数如何变化？
• RQ2 在视 Line-of-Sight（LOS）和非视 Line-of-Sight（NLOS）场景下，均方根时延扩展如何随频率升高而变化？
• RQ3 角扩展（AOA和AOD）及空间路径数量如何随频率演变？
• RQ4 当以1米自由空间路径损耗为参考时，亚太赫兹波段的信道特性在多大程度上与毫米波段相似？
• RQ5 这些发现对6G系统中基站间距与波束成形设计有何启示？

主要发现

• 当以1米自由空间路径损耗为参考时，28–142 GHz频段的路径损耗指数（PLE）表现出显著一致性：28 GHz时为2.3，38 GHz时为1.9，73 GHz时为2.0，142 GHz时为2.1。
• 均方根时延扩展随频率升高而减小：28 GHz时为26 ns，38 GHz时为11 ns，73 GHz时为23 ns，142 GHz时为9 ns。
• 均方根角扩展（AOA和AOD）随频率升高而减小，表明高频段信道更稀疏：LOS环境下AOA扩展平均从28 GHz时的30.8°降至142 GHz时的10.1°。
• LOS环境下AOA方向数平均从28 GHz时的3.6个减少至142 GHz时的1.9个；NLOS环境下从4.7个减少至1.6个，证实高频段信道稀疏性增强。
• 阴影衰落标准差随频率升高而减小：28 GHz时为4.3 dB，38 GHz时为3.5 dB，73 GHz时为1.9 dB，142 GHz时为2.8 dB。
• 毫米波与亚太赫兹波段路径损耗指数的相似性表明，只要天线孔径保持不变，随着载波频率升高，基站间距无需减小。