[论文解读] Millimeter Wave Small-Scale Spatial Statistics in an Urban Microcell Scenario

Shu Sun, Hangsong Yan+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 4

一句话总结

本研究在城市微蜂窝环境中，利用35.31厘米的线性轨迹，在73.5 GHz频段对宽带毫米波小尺度空间衰落和自相关特性进行了测量。结果表明，在视 Line-of-Sight (LOS) 和非视 Line-of-Sight (NLOS) 条件下，信号电压包络衰落服从瑞利-莱斯分布（Ricean distribution），其中全向NLOS条件下为对数正态分布；空间自相关特性符合正弦-指数或指数模型，失相干距离范围为0.27至81.6厘米，具体取决于方向和环境条件。

ABSTRACT

This paper presents outdoor wideband small-scale spatial fading and autocorrelation measurements and results in the 73 GHz millimeter-wave (mmWave) band conducted in downtown Brooklyn, New York. Both directional and omnidirectional receiver (RX) antennas are studied. Two pairs of transmitter (TX) and RX locations were tested with one line-of-sight (LOS) and one non-line-of-sight (NLOS) environment, where a linear track was employed at each RX to move the antenna in half-wavelength increments. Measured data reveal that the small-scale spatial fading of the received signal voltage amplitude are generally Ricean-distributed for both omnidirectional and directional RX antenna patterns under both LOS and NLOS conditions in most cases, except for the log-normal distribution for the omnidirectional RX antenna pattern in the NLOS environment. Sinusoidal exponential and typical exponential functions are found to model small-scale spatial autocorrelation of the received signal voltage amplitude in LOS and NLOS environments in most cases, respectively. Furthermore, different decorrelation distances were observed for different RX track orientations, i.e., for different directions of motion relative to the TX. Results herein are valuable for characterizing small-scale spatial fading and autocorrelation properties in multiple-input multiple-output (MIMO) systems for fifth-generation (5G) mmWave frequencies.

研究动机与目标

• 表征73.5 GHz频段在真实城市微蜂窝环境中毫米波信号的小尺度空间衰落与自相关特性。
• 评估接收端天线方向性（全向与定向）对信号分布及空间相关性的影响。
• 量化LOS与NLOS条件下失相干距离，以支持MIMO系统设计。
• 基于实测数据，使用正弦-指数与指数函数对空间自相关特性进行建模。
• 为5G毫米波MIMO信道建模与波束成形优化提供数据驱动的洞见。

提出的方法

• 使用滑动互相关信道探测仪，在73.5 GHz频段、1 GHz射频带宽下进行宽带室外测量。
• 通过35.31厘米的线性轨迹，以半波长增量（约1.04毫米步长）移动接收天线，实现空间采样。
• 在1.4米高度使用全向与定向（棱锥喇叭）接收天线，发射端为定向天线，高度4米。
• 测量同相与 quadrature 基带电压信号，以重构信号包络幅度并计算空间相关性。
• 通过统计拟合优度分析，将莱斯（Ricean）、对数正态（log-normal）与 Nakagami-m 分布拟合至实测电压包络幅度数据。
• 基于相关性衰减特性，使用正弦-指数与指数函数对空间自相关性进行建模，并估计失相干距离。

实验结果

研究问题

• RQ1 在73.5 GHz频段的城市微蜂窝环境中，全向与定向接收天线在LOS与NLOS条件下的小尺度空间衰落分布如何变化？
• RQ2 毫米波信号电压包络幅度在LOS与NLOS条件下的空间自相关行为如何？哪种数学模型最能描述其特性？
• RQ3 接收天线相对于发射机与主要反射体的朝向如何影响失相干距离？
• RQ4 天线方向性与传播环境（LOS与NLOS）对K因子与衰落深度有何影响？
• RQ5 实测的空间相关性特性如何指导5G毫米波MIMO系统中紧密排列天线的设计？

主要发现

• 在LOS条件下，全向接收天线的小尺度衰落服从K因子为10 dB的瑞利-莱斯分布；NLOS衰落则服从标准差为0.65 dB的对数正态分布。
• 对于定向接收天线，LOS与NLOS环境中的衰落均最宜用瑞利-莱斯分布描述，其K因子范围为LOS时7–17 dB，NLOS时9–21 dB。
• 全向接收天线的衰落深度在LOS条件下为-3 dB至1.5 dB（相对于均值），NLOS条件下为-0.8 dB至0.8 dB；定向接收天线在两种环境下的衰落深度范围均为-4 dB至2 dB。
• 在LOS环境中，全向接收天线的空间自相关性最宜用正弦-指数函数建模，多数定向接收天线情况亦适用；当接收天线沿发射-接收基准线平行移动时，指数衰减模型拟合最佳。
• 在NLOS环境中，全向与定向接收天线的空间自相关性均可用指数衰减模型良好描述。
• 失相干距离在NLOS条件下为0.67至25个波长（0.27–10.2厘米），在LOS条件下为5至200个波长（2.09–81.6厘米），当接收天线指向主要反射体并沿T-R连线方向移动时，失相干距离达到最大。