Measurement-Based Millimeter-Wave Radio Channel Simulations and Modeling

Abstract

The spectrum shortage at microwaves has necessitated the use of millimeter-wave (mm-wave) frequencies in future fifth generation (5G) wireless communication systems. In order to evaluate the performance of 5G networks at mm-waves, propagation channels in various scenarios must be properly characterized and modeled. This thesis aims at providing important insights, methods and tools for mm-wave channel modeling. Deterministic field prediction tools, previously used mainly for coverage analysis, are increasingly used also for stochastic channel model parametrization or for evaluating system performance. The prediction accuracy of such tools, e.g., ray tracing, may be compromised due to missing details in the environment databases. In this work, a novel field prediction tool relying on accurate environmental information in the form of point clouds is developed. The prediction method parameters are tuned by measurements, and the performance is validated in several indoor environments by comparing predicted and measured channels in terms of power, delay and angular metrics. The results demonstrate excellent prediction accuracy in both line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight links. As the upcoming 5G mm-wave deployment will be made in new scenarios, channel sounding is essential to acquire knowledge about the propagation characteristics and the applicability of existing channel model frameworks. This work presents insights obtained from channel sounding results conducted in environments such as offices and a shopping mall in the 60- and 70-GHz bands. Unlike existing channel models, clustering was not found apparent in the large indoor environments, allowing a simpler spatio-temporal channel model structure to be developed. A parametrization of the WINNER II model at 60 GHz and a study on the depolarization at mm-waves is also presented. The results show that polarization is better preserved at mm-waves than at lower frequencies. Moreover, a novel method to evaluate LOS probability based on point clouds is demonstrated. The last part of the thesis deals with the use of stochastic and site-specific channel models in evaluating the performance of mm-wave wireless systems. The point cloud-based simulation tool is used to study the mutual orthogonality of mm-wave links equipped with large antenna arrays. The result shows that compared to microwave frequencies, the number of active users should be smaller at mm-waves to guarantee efficient spatial multiplexing.

Mikroaaltotaajuuksien tiheä käyttö tietoliikenteessä on johtanut radiospektrin puutteeseen, jonka seurauksena tulevassa viidennen sukupolven (5G) langattomissa järjestelmissä myös millimetriaaltoaluetta on hyödynnettävä. Jotta 5G-verkkojen suorituskykyä olisi mahdollista arvioida millimetriaalloilla, etenemiskanavaa on mallinnettava eri ympäristöissä. Tämän väitöskirjan tavoitteena on tarjota tärkeitä havaintoja, menetelmiä ja työkaluja millimetriaaltoalueen radiokanavamallinnusta varten. Deterministiset radioaaltojen etenemisen ennustusmenetelmät, joita aikaisemmin on käytetty verkkojen kuuluvuuden tutkimiseen, ovat yhä enemmän varteenotettavia työkaluja myös stokastisten kanavamallien parametrisoinnissa ja radiojärjestelmien suorituskykyarvioinnissa. Ennustusmenetelmien, kuten säteenseurannan, ennustustarkkuus saattaa kärsiä ympäristön tietokantojen huonosta tarkkuudesta johtuen. Tässä työssä on kehitetty uusi ennustusmenetelmä, jossa käytetään erittäin tarkkoja pistepilviä kuvaamaan ympäristöä. Menetelmän parametrit kalibroidaan mittausten avulla ja toimintakykyä arvioidaan useissa sisätilaympäristöissä vertaamalla simuloituja ja mitattuja kanavia eri tehon, viiveen ja kulma-alueen mittareilla. Tulokset osoittavat ennustustarkkuuden erinomaiseksi sekä näköyhteyden ollessa vapaa että sen puuttuessa. Koska millimetriaaltoalueen 5G-verkkoja sijoitetaan uusiin ympäristöihin, kanavamittaukset ovat oleellisia radiokanavien ominaisuuksien ja olemassa olevien kanavamallien käyttökelpoisuuden tutkimiseksi. Tässä työssä esitetään havaintoja kanavamittauksista, joita on suoritettu esim. toimistotiloissa ja kauppakeskuksessa 60 ja 70 GHz:n taajuusalueilla. Vastoin yleisiä kanavamallinnusperiaatteita, mittaukset osoittavat että monitiekomponenttien ryhmittyminen ei ole voimakasta tutkituissa ympäristöissä, mikä sallii yksinkertaisemman rakenteen tilassa ja ajassa määritellylle kanavamallille. Lisäksi WINNER II-mallille lasketaan parametrit 60 GHz:llä ja polarisaation kääntymistä tutkitaan sisätilaympäristöissä. Tulokset osoittavat polarisaation säilyvän paremmin millimetriaalloilla alempiin taajuuksiin verrattuna. Työssä esitetään myös uusi menetelmä näköyhteysreitin todennäköisyyden laskemiseksi pistepilviä hyödyntäen. Työn viimeinen osio käsittelee determinististen ja stokastisten kanavamallien sovelluskohteita langattomien järjestelmien suorituskykyarvioinnissa. Pistepilveen pohjautuvaa ennustusmenetelmää käytetään tutkimaan isoilla antenniryhmillä varustettujen millimetriaaltolinkkien keskinäiskorrelaatiota. Tuloksissa todetaan, että aktiivisten käyttäjien määrän on oltava millimetriaaltotaajuuksilla pienempi mikroaaltotaajuuksiin verrattuna, jotta tilallista limitystä (eng. spatial multiplexing) voidaan hyödyntää mahdollisimman

Den begränsade tillgängligheten av radiospektrum på mikrovågsområdet har lett till att framtida femte generationens (5G) nätverk också måste använda sig av millimetervågsområdet (mm-vågsområdet). För att utvärdera prestationsförmågan av nätverk på mm-vågsområdet måste utbredningskanalen karakteriseras och modelleras i olika omgivningar. Denna doktorsavhandling strävar efter att erbjuda viktiga iakttagelser, metoder och redskap för kanalmodellering på mm-vågsområdet.

Traditionellt har redskap för att förutspå utbredningskanaler använts främst för att analysera hörbarheten i mobilnätverk, men nuförtiden behövs dessa redskap också för att parametrisera stokastiska kanalmodeller samt för att utvärdera prestandan i trådlösa system. Estimeringsprecisionen för dylika redskap, som tex. strålföljning (eng. ray tracing), kan försämras av att omgivningsmodellen inte är tillräcklig detaljerad. I detta arbete presenteras en ny metod för att förutspå utbredningskanaler som baserar sig på noggranna omgivningsmodeller i form av punktmoln. Modellparametrarna kalibreras med hjälp av radiokanalmätningar och funktionaliteten bekräftas i flera interiörer genom att jämföra simulerade och mätta radiokanaler beträffande effekt, fördröjning och vinklar. Resultaten tyder på en hög estimeringsprecision både med fri siktlinje samt med siktlinjen blockerad.

Eftersom 5G-nätverk på mm-vågsområdet kommer att placeras i flera nya omgivningar är det nödvändigt att utföra radiokanalmätningar för att skaffa sig information om utbredningskanalens egenskaper och användbarheten av existerande kanalmodeller. I detta arbete presenteras insikter som erhållits via radiokanalmätningar i tex. kontorsutrymmen och ett köpcentrum i frekvensbanden kring 60 och 70 GHz. I motsats till populära kanalmodeller som grupperar radiovågskomponenter i kluster, påvisar mätningarna ingen klustring vilket möjliggör en enklare kanalmodell i rum och tid. Mätningarna används också till att parametrisera WINNER II kanalmodellen vid 60 GHz samt till att studera hur polariseringen förändras under utbredningen. Resultaten visar att polariseringen bevaras bättre på mm-vågsområdet jämfört med lägre frekvenser. Vidare presenteras en ny metod för att utvärdera sannolikheten för fri siktlinje med hjälp av punktmoln.

Avhandlingen sista del ger en översikt av olika användningsändamål för både deterministiska och stokastiska kanalmodeller. Estimeringsmetoden som baserar sig på punkmoln används för att studera korrelationen mellan användare på mm-vågsområdet som är utrustade med massiva gruppantenner. Resultaten tyder på att antalet aktiva användare bör vara lägre än på mikrovågsområdet för att garantera effektiv rumsmultiplexering.