Machine Learning-Based Urban Canyon Path Loss Prediction Using 28 GHz Manhattan Measurements

计算机科学 杂乱 均方误差 路径损耗 点云 峡谷 激光雷达 遥感 深度学习 人工智能 地质学 雷达 电信 无线 统计 数学 地貌学
作者
Ankit Gupta,Jinfeng Du,Dmitry Chizhik,Reinaldo A. Valenzuela,Mathini Sellathurai
出处
期刊:IEEE Transactions on Antennas and Propagation [IEEE Antennas & Propagation Society]
卷期号:70 (6): 4096-4111 被引量:34
标识
DOI:10.1109/tap.2022.3152776
摘要

Large bandwidth at mm-wave is crucial for 5G and beyond but the high path loss (PL) requires highly accurate PL prediction for network planning and optimization. Statistical models with slope-intercept fit fall short in capturing large variations seen in urban canyons, whereas ray-tracing, capable of characterizing site-specific features, faces challenges in describing foliage and street clutter and associated reflection/diffraction ray calculation. Machine learning (ML) is promising but faces three key challenges in PL prediction: 1) insufficient measurement data; 2) lack of extrapolation to new streets; 3) overwhelmingly complex features/models. We propose an ML-based urban canyon PL prediction model based on extensive 28 GHz measurements from Manhattan where street clutters are modeled via a LiDAR point cloud dataset and buildings by a mesh-grid building dataset. We extract expert knowledge-driven street clutter features from the point cloud and aggressively compress 3D-building information using convolutional-autoencoder. Using a new street-by-street training and testing procedure to improve generalizability, the proposed model using both clutter and building features achieves a prediction error (RMSE) of $4.8 \pm 1.1$ dB compared to $10.6 \pm 4.4$ dB and $6.5 \pm 2.0$ dB for 3GPP LOS and slope-intercept prediction, respectively, where the standard deviation indicates street-by-street variation. By only using four most influential clutter features, RMSE of $5.5\pm 1.1$ dB is achieved.

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