[论文解读] Synthesizing Omnidirectional Antenna Patterns, Received Power and Path Loss from Directional Antennas for 5G Millimeter-Wave Communications

Shu Sun, George R. MacCartney+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 5

一句话总结

该论文提出一种方法，通过在28 GHz和73 GHz频段下对方向性喇叭天线测量结果进行求和，合成全向辐射图、接收功率和路径损耗，方法基于所有非重叠方位角和俯仰角指向角度的接收功率总和。该方法实现了扩展测量范围和动态范围的精确全向路径损耗建模，经理论分析和毫米波传播测量验证，适用于不同波束宽度的天线。

ABSTRACT

Omnidirectional path loss models are vital for radiosystem design in wireless communication systems, as they allow engineers to perform network simulations for systems with arbitrary antenna patterns. At millimeter-wave frequencies, channel measurements are frequently conducted using steerable highgain directional antennas at both the transmitter and receiver to make up for the significant increase in free space path loss at these frequencies compared to traditional cellular systems that operate at lower frequencies. The omnidirectional antenna pattern, and resulting omnidirectional received power must therefore be synthesized from many unique pointing angles, where the transmit and receive antennas are rotated over many different azimuth and elevation planes. In this paper, the equivalent omnidirectional antenna pattern and omnidirectional received power are synthesized by summing the received powers from all measured unique pointing angles obtained at antenna halfpower beamwidth step increments in the azimuth and elevation planes, and this method is validated by demonstrating that the synthesized omnidirectional received power and path loss are independent of antenna beamwidth, through theoretical analyses and millimeter-wave propagation measurements using antennas with different beamwidths. The method in this paper is shown to provide accurate results while enhancing the measurement range substantially through the use of directional antennas.

研究动机与目标

• 通过使用更适用于高频测量的方向性天线，实现5G毫米波系统中精确的全向路径损耗建模。
• 克服低增益全向天线的局限性，后者在毫米波频段需极高发射功率才能实现远距离测量。
• 验证合成的全向路径损耗与方向性天线波束宽度无关，确保不同测量设置下的一致性。
• 通过利用高增益方向性天线扩展测量动态范围和覆盖范围，同时保持等效的全向性能。
• 为研究人员提供一种实用方法，无需使用理想各向同性天线即可模拟和建模毫米波系统中的全向行为。

提出的方法

• 使用可转向的高增益方向性喇叭天线在发射端和接收端测量路径损耗，以半功率波束宽度（HPBW）为步长，扫描所有唯一的方位角和俯仰角。
• 通过将所有非重叠指向角度组合的定向接收功率（单位：mW）相加，合成全向接收功率，同时去除发射端和接收端天线增益，以模拟0 dBi各向同性响应。
• 使用公式计算合成的全向路径损耗：$\mathrm{PL}_{i,j}[\mathrm{dB}] = \mathrm{Pt}_{i,j}[\mathrm{dBm}] - 10\log_{10}\left(\sum_{n}\sum_{m}\sum_{l}\sum_{k}\mathrm{Pr}_{i,j}(\phi_k,\theta_l,\varphi_m,\vartheta_n)[\mathrm{mW}]\right)$，其中天线增益被排除。
• 通过比较不同方向性天线波束宽度（如3×3窄波束与宽波束）下的合成全向路径损耗，验证方法的一致性。
• 利用理论分析和28 GHz与73 GHz频段的实测毫米波传播数据，确认合成路径损耗与波束宽度无关，且与各向同性行为一致。
• 证明在室外环境中，仅扫描最强方位平面及其相邻两个平面即可捕获72%至95%的总接收功率，从而实现时间与资源高效的近似方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在毫米波频段下，从方向性天线测量中准确合成全向路径损耗？
• RQ2 合成的全向路径损耗是否在不同方向性天线波束宽度下保持一致？
• RQ3 在室外毫米波环境中，最强方位平面在总全向接收功率中贡献了多少？
• RQ4 与使用低增益全向天线相比，该方法是否能扩展测量动态范围和覆盖距离？
• RQ5 在资源受限场景下，仅使用最强方位平面及其邻近平面近似全向路径损耗是否可行？

主要发现

• 通过28 GHz和73 GHz频段的理论分析与实测数据验证，合成的全向路径损耗与方向性天线波束宽度无关。
• 3×3窄波束天线阵列的接收功率与波束宽度约为其三倍的单个宽波束天线基本一致，验证了结果的一致性。
• 与使用低增益全向天线相比，该方法显著提升了测量动态范围和覆盖距离。
• 在室外环境中，最强方位平面与相邻平面联合贡献了72%至95%的总接收功率，最大差异仅为0.8 dB。
• 当俯仰角扫描限制为一个HPBW步长时，在高链路预算场景（如发射端高度17 m）下，最强方位平面贡献了超过90%的总功率。
• 该方法可利用方向性天线实现精确的全向路径损耗建模，避免了对高发射功率全向测量的需求，同时保持了建模精度。