[论文解读] Millimeter-Wave Distance-Dependent Large-Scale Propagation Measurements and Path Loss Models for Outdoor and Indoor 5G Systems

Shu Sun, George R. MacCartney+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 14

一句话总结

本文在28 GHz和73 GHz频段对城市微小区和室内办公环境进行了广泛的毫米波传播测量，评估了五种路径损耗模型。近点（CI）和频率加权近点（CIF）模型表现最优，因其具备更优的物理基础、参数稳定性以及更低的复杂度，其中CI模型适用于室外场景，CIF模型适用于室内场景，这是由于室内环境中存在频率相关的路径损耗。

ABSTRACT

This paper presents millimeter-wave propagation measurements for urban micro-cellular and indoor office scenarios at 28 GHz and 73 GHz, and investigates the corresponding path loss using five types of path loss models, the singlefrequency floating-intercept (FI) model, single-frequency closein (CI) free space reference distance model, multi-frequency alpha-beta-gamma (ABG) model, multi-frequency CI model, and multi-frequency CI model with a frequency-weighted path loss exponent (CIF), in both line-of-sight and non-line-of-sight environments. Results show that the CI and CIF models provide good estimation and exhibit stable behavior over frequencies and distances, with a solid physical basis and less computational complexity when compared with the FI and ABG models. Furthermore, path loss in outdoor scenarios shows little dependence on frequency beyond the first meter of free space propagation, whereas path loss tends to increase with frequency in addition to the increased free space path loss in indoor environments. Therefore, the CI model is suitable for outdoor environments over multiple frequencies, while the CIF model is more appropriate for indoor modeling. This work shows that both the CI and CIF models use fewer parameters and offer more convenient closedform expressions suitable for analysis, without compromising model accuracy when compared to current 3GPP and WINNER path loss models.

研究动机与目标

• 表征28 GHz和73 GHz频段在城市微小区和室内办公环境中的大尺度毫米波路径损耗特性。
• 在视 Line-of-Sight（LOS）和非视 Line-of-Sight（NLOS）条件下，评估五种路径损耗模型——FI、CI、ABG、多频段CI和CIF——的性能。
• 确定适用于室外和室内5G毫米波系统的最具有物理依据、参数稳定且计算效率高的模型。
• 量化路径损耗在室内与室外场景中的频率依赖性及其对模型选择的影响。
• 基于实测数据和模型在频率与距离范围内的鲁棒性，为5G系统设计提供模型推荐。

提出的方法

• 在曼哈顿地区使用定向喇叭天线和扩频信道探测仪，在28 GHz和73 GHz频段进行了广泛的室外与室内毫米波传播测量。
• 获取了超过10,000个功率延迟分布（PDPs），带宽为800 MHz，时间分辨率2.5 ns，用于估算路径损耗随距离的变化。
• 基于实测数据评估了五种路径损耗模型：单频段FI和CI，以及多频段ABG、CI和CIF模型。
• CI模型采用自由空间参考距离1 m，路径损耗指数（PLE）用于建模路径损耗：PL = 10n log10(d/d₀) + A，其中d₀ = 1 m。
• CIF模型在CI基础上增加了频率依赖项：PL = 10n log10(d/d₀) + 10b log10(f/f₀) + A，其中b用于捕捉频率依赖性。
• 通过残差标准差和参数的物理合理性评估模型性能，重点关注参数稳定性与模型简洁性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在28 GHz和73 GHz频段下，城市微小区室外环境与室内办公环境的路径损耗特性有何差异？
• RQ2 在FI、CI、ABG、多频段CI和CIF模型中，哪一种模型在物理准确性、参数稳定性和计算简洁性之间达到最佳平衡？
• RQ3 在自由空间损耗之外，路径损耗在室外与室内环境中对频率的依赖程度如何？
• RQ4 与CI模型相比，CIF模型中引入频率依赖项是否显著提升了室内场景下的模型准确性？
• RQ5 由于CI和CIF模型具备更优的物理基础和更低的复杂度，能否替代当前3GPP和WINNER模型用于5G毫米波系统设计？

主要发现

• CI模型为室外环境提供了稳定且具有物理基础的路径损耗模型，视距（LOS）条件下路径损耗指数（PLE）为2.0，非视距（NLOS）条件下为3.4，与理论自由空间损耗和实测观察结果高度一致。
• CIF模型在室内环境中将标准差降低至2.1 dB（LOS）和10.4 dB（NLOS），优于CI模型的2.3 dB和10.9 dB，归因于其频率依赖项。
• 室内路径损耗表现出显著的频率依赖性（LOS时b = 0.18，NLOS时b = 0.21），而室外路径损耗在1 m自由空间损耗之外的频率依赖性极小（LOS时b = -0.06，NLOS时b = -0.00）。
• ABG模型虽在标准差上略优（10.3 dB），但其坡度衰减项在LOS时为0.9，表明损耗过低，物理上不合理，削弱了其可信度。
• CI和CIF模型参数更少，且具有闭式表达式，相较于FI或ABG等复杂模型，更适合系统级分析。
• 由于其简洁性与稳定性，CI模型推荐用于室外5G毫米波系统；由于其能有效捕捉频率依赖的路径损耗，CIF模型推荐用于室内系统。