In this thesis, characteristics analysis and modeling for millimeter-wave (mmWave) band channels are discussed based on the extensive channel measurements at 28 GHz. First, a channel sounder for 28 GHz channel measurements is proposed and developed. The proposed channel sounder allows to obtain a synthesized omni-directional power delay profile (PDP) from the measurement system using directional antennas. Using this proposed channel sounder, we carried out extensive channel measurements in various different environments. Then, propagation path parameterization and analysis of the propagation channels is discussed. In particular, a modified version of the conventional high-resolution algorithms has been proposed and verified to estimate the transmitting and receiving angles more precisely. By using the proposed algorithm which exploits information of the antenna pattern, it is possible to overcome limitations of the beamwidth and rotation angle of the antenna and to classify the propagation paths accurately. Furthermore, a mmWave channel model which reflects the channel characteristics of mmWave bands is developed based on our measurement results at 28 GHz. Finally, the propagation properties of the mmWave bands in vegetated areas of typical residential environments were discussed by analyzing our measurement results.
무선통신 시스템은 세대를 거치며 더 빠른 통신과 보다 많은 데이터의 전송을 목표로 지속적인 발전을 이루고 있다. 현재, 5세대 통신기술 개발을 목표로 활발한 연구가 진행 중이며, 그 중 하나의 핵심요소로 주목받고 있는 것이 밀리미터파 대역이다. 밀리미터 파 대역은 기존의 6 GHz 이하 주파수 대역에 비해 10배 이상의 대역폭 활용이 가능하여, 통신 속도를 획기적으로 높일 수 있다. 하지만, 주파수 대역이 훨씬 높아진 만큼 채널의 특성이 기존 대역과 상이하여, 측정 시스템 설계 및 구축을 위한 채널 특성 파악이 필요하다. 기존 대역과의 대표적인 차이점으로는 높은 경로손실, 약한 회절특성, 의미 있는 경로 수의 감소, 시공간 영역에서의 분산량 감소 등이 있다. 따라서, 밀리미터 파 대역의 측정 및 시뮬레이션을 통해 채널 특성을 파악하는 것이 우선적으로 필요하며, 현재 세계 여러 연구 그룹들 및 표준 단체들이 이와 관련한 연구를 진행하고 있다.
밀리미터 파 대역은 기존의 셀룰러 대역에 비해 높은 자유공간 경로손실 값을 가지기 때문에, 빔을 활용한 통신 시스템을 가정하고 있으며, 채널 측정 시에도 이득이 높은 지향성 안테나를 이용한다. 따라서, 각 측정을 통해 얻어지는 빔 채널 정보로부터 전(全)방향 채널 정보를 알기 위해서는 각 빔 채널들의 시간 동기화를 통한 합성과정이 필요하다. 하지만, 지금까지 발표된 연구 결과들은 시간 동기화 과정이 이루어지지 않고, 특정 지형의 지도를 필요로 하는 광선 추적 기법에 의존해 왔다.
본 논문에서는, 시간 동기과정이 고려된 28 GHz 의 혼 안테나 기반 측정 시스템을 개발하고, 밀리미터 파 대역의 전(全)방향 측정 정보를 획득하였다. 특히, 안테나 패턴을 활용한 고해상도 알고리즘을 제안함으로써, 안테나 시스템이 가지는 해상도 제한을 극복하고, 정밀한 송수신 각도 추정이 가능하도록 하였다. 측정 시스템을 통해 얻은 다수의 측정 데이터로부터, 경로손실, 지연 및 각 확산, 시공간 분포 특성 등 채널의 다양한 파라미터들을 추정하고, 이를 바탕으로 채널의 전파 특성을 분석하였다. 기존 셀룰러 대역과 비교 시 높은 경로손실, 약한 회절특성, 시공간 영역에서의 분산량 감소 등의 차이점이 있지만, 가장 두드러지는 점은 클러스터 수의 감소이다. 밀리미터 파 대역에서는 뚜렷한 소수의 반사체로부터 주로 신호가 수신되며, 따라서 송수신 빔포밍을 통해 통신링크를 형성하는 것이 필요하다.
또한, 분석한 채널 특성 정보를 기반으로 밀리미터 파 대역에 적합한 채널모델을 연구하였다. 먼저 확률론적 채널 모델인 공간채널모델에서, 임의의 부 경로 수에 대한 시간 지연 및 각도정보를 확률론적으로 생성하는 방법을 새롭게 제안하였으며, 측정 데이터와의 비교를 통해 검증을 수행하였다. 또한 해석적 접근으로 얻어지는 산란채널모델로부터, 수신각도 및 시간지연의 확률분포에 대해 분석하였다. 추가적으로, 밀리미터 파 대역에서 두드러지는 식생 지역의 감쇄 효과에 대한 연구를 진행하였다. 가로수를 비롯해 건물, 지면 등 주변 환경으로부터 수신되는 경로들의 전력 비를 분석하고, 식물 두께에 대한 감쇄량을 추정 및 도출하였으며, 계절 변화에 따른 식물 감쇄 효과를 연구하였다.
