[论文解读] Millimeter Wave Wireless Communications: New Results for Rural Connectivity

George R. MacCartney, Shu Sun+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 12被引用 22

一句话总结

该论文提出了一种新的毫米波（mmWave）农村宏小区（RMa）通信的近点（CI）参考距离路径损耗模型，通过在弗吉尼亚州农村地区开展的73 GHz实地测量实验进行了验证。该模型在3GPP RMa模型的基础上实现了更高的精度和稳定性，能够在路径损耗指数为2.16（视距，LOS）和2.75（非视距，NLOS）的情况下，可靠地实现长达11公里的信号传播。

ABSTRACT

This paper shows the remarkable distances that can be achieved using millimeter wave communications, and presents a new rural macrocell (RMa) path loss model for millimeter wave frequencies, based on measurements at 73 GHz in rural Virginia. Path loss models are needed to estimate signal coverage and interference for wireless network design, yet little is known about rural propagation at millimeter waves. This work identifies problems with the RMa model used by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) TR 38.900 Release 14, and offers a close-in (CI) reference distance model that has improved accuracy, fewer parameters, and better stability as compared with the existing 3GPP RMa path loss model. The measurements and models presented here are the first to validate rural millimeter wave path loss models.

研究动机与目标

• 解决毫米波农村路径损耗模型缺乏实证验证的问题，特别是针对3GPP RMa模型的不足。
• 识别现有3GPP RMa路径损耗模型中的数学和实证缺陷，该模型源自城市模型，缺乏农村环境下的验证。
• 基于真实世界测量，开发并验证一种更简单、更精确的毫米波农村宏小区场景路径损耗模型。
• 提供一种物理解释清晰、稳定且可扩展的路径损耗模型，适用于500 MHz至100 GHz频段的农村环境。

提出的方法

• 在弗吉尼亚州农村的里纳（Riner）地区，以73 GHz频段开展实地测量实验，基站高度达110米，接收点分布距离最远达11公里。
• 在不同植被和大气条件下，收集从1米到11公里距离的视距（LOS）和非视距（NLOS）路径损耗数据。
• 提出一种以1米为参考距离的近点（CI）参考距离路径损耗模型，其形式为PL = 32.4 + 20 log₁₀(fc) + 20 log₁₀(d) + χσ。
• 通过拟合实测数据，得出路径损耗指数（PLE）为2.16（LOS）和2.75（NLOS），阴影衰落标准差分别为1.7 dB和6.7 dB。
• 将CI模型与3GPP RMa模型进行对比验证，证明其在精度和稳定性方面表现更优，尤其在9.1 GHz以上频段优势显著。
• 将所提出的模型集成至NYUSIM开源5G信道仿真器中，以支持更广泛的研究与标准化应用。

Figure 1: LOS breakpoint distance vs. frequency in ( 2 ).

实验结果

研究问题

• RQ1 在农村环境中，特别是高于9.1 GHz频段时，当前3GPP RMa路径损耗模型在毫米波频段的准确性如何？
• RQ2 在毫米波农村场景中，是否可以设计出一种更简单、具有物理基础的路径损耗模型，从而超越复杂且未经实证验证的3GPP RMa模型？
• RQ3 在73 GHz频段下，毫米波信号在农村宏小区环境中的实际路径损耗指数和阴影衰落统计特性是什么？
• RQ4 毫米波信号在农村区域的传播范围有多大？3GPP模型是否能准确预测超过5公里的覆盖范围？
• RQ5 近点（CI）参考距离模型是否能准确描述在宽频段范围内（从500 MHz到100 GHz）的农村环境中毫米波路径损耗？

主要发现

• 3GPP RMa路径损耗模型在9.1 GHz以上频段存在数学上的无效性，且在毫米波农村环境中缺乏实证验证。
• 所提出的CI路径损耗模型在500 MHz至100 GHz范围内均表现出高精度，73 GHz频段下路径损耗指数为2.16（LOS）和2.75（NLOS）。
• 实测路径损耗数据证实，在视距条件下信号可传播至11公里，非视距条件下可达8.5公里，远超3GPP NLOS模型设定的5公里限制。
• 阴影衰落标准差实测值为1.7 dB（LOS）和6.7 dB（NLOS），显著低于3GPP模型中假设的4 dB和8 dB。
• CI模型比3GPP RMa模型更简单、更稳定，且与实测数据拟合更优；后者高估路径损耗，且基于城市传播假设。
• 新模型已被验证为3GPP RMa模型的可行替代方案，应作为农村毫米波网络设计的可选或替代标准采纳。

Figure 2: 73 GHz TX measurement equipment.