[论文解读] Multiple Ray Received Power Modeling for mmWave Indoor and Outdoor Scenarios

Wahab Khawaja, Özgür Özdemir+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 25被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于28 GHz室内走廊和室外开阔区域毫米波通信的多径衰落模型，结合了理论建模、实测数据与射线追踪仿真。研究发现，由于多径反射的影响，室内走廊建模需要五条主要路径才能实现高精度；而在室外开阔区域，两条路径已足够。此外，阵列增益显著影响路径损耗斜率和模型拟合精度。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) frequency bands are expected to be used for future 5G networks due to the availability of large unused spectrum. However, the attenuation at mmWave frequencies is high. To resolve this issue, the utilization of high gain antennas and beamforming mechanisms are widely investigated in the literature. In this work, we considered mmWave end-to-end propagation modeled by individual ray sources, and explored the effects of the number of rays in the model and radiation patterns of the deployed antennas on the received power. It is shown that taking the dominant two rays is sufficient to model the channel for outdoor open areas as opposed to the indoor corridor which needs five dominant rays to have a good fit for the measurement and simulation results. It is observed that the radiation pattern of the antenna affects the slope of the path loss. Multi-path components increase the received power, thus, for indoor corridor scenarios, path loss according to the link distance is smaller for lower gain antennas due to increased reception of reflected components. For an outdoor open area, the slope of the path loss is found to be very close to that of the free space.

研究动机与目标

• 使用多条路径分量对室内和室外场景下的毫米波端到端传播进行建模。
• 评估阵列增益和辐射图样对路径损耗和接收功率的影响。
• 确定在不同环境中实现准确信道建模所需的最优主导路径数量。
• 通过对比分析模型、射线追踪仿真与实测数据，验证模型有效性。
• 使用统计假设检验（z检验）评估两路径模型与五路径模型对实测数据的拟合程度。

提出的方法

• 基于一阶反射，分别针对室外和室内场景，建立了理论两路径与五路径模型。
• 在28 GHz频段使用PXI架构信道探测仪与方向性喇叭天线（17 dBi与23 dBi增益）进行了实地测量。
• 通过射线追踪仿真验证理论模型，并与实测路径损耗数据进行对比。
• 采用线性回归拟合路径损耗模型，并计算实测、理论与仿真数据的斜率与截距。
• 在95%置信水平下应用z检验，比较模型拟合结果与实测数据，评估统计显著性。
• 计算Ricean K因子，即视 Line-of-Sight（LOS）功率与散射多径功率之比，以评估视 Line-of-Sight 主导程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室内走廊与室外开阔区域的毫米波信道中，准确建模路径损耗需要多少条主导路径？
• RQ2 方向性天线的辐射图样与增益如何影响路径损耗斜率与接收功率？
• RQ3 两路径与五路径理论模型在室内与室外环境中对实测路径损耗数据的拟合程度如何？
• RQ4 多径分量（反射）对室内走廊中接收功率与路径损耗特性有何影响？
• RQ5 在室内与室外场景中，Ricean K因子如何随天线增益与链路距离变化？

主要发现

• 由于顶棚与侧墙反射的显著贡献，室内走廊建模需要五条主导路径才能实现高精度；而在室外开阔区域，两条路径已足够。
• 由于反射路径的相干叠加，室内走廊的路径损耗斜率比自由空间路径损耗更平缓，从而降低了衰减。
• 在室外开阔区域，路径损耗斜率非常接近自由空间路径损耗，证实了直射路径与一阶反射路径的主导作用。
• 高增益天线（23 dBi）相比低增益天线（17 dBi）与实测数据的模型拟合效果更优，这是由于其对旁瓣反射波的抑制能力更强。
• z检验结果表明，五路径理论模型在斜率与截距上均在95%置信区间内与实测数据拟合良好，而两路径模型则未能通过检验。
• 由于更强的方向性与更少的散射多径功率，23 dBi天线的K因子高于17 dBi天线；然而，实测K因子较低，这是由于波束间相长/相消干涉效应所致。