[論文レビュー] Analysis of Blocking in mmWave Cellular Systems: Application to Relay Positioning

Cristian García Ruiz, Antonio Pascual‐Iserte+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 30被引用数 29

ひとこと要約

本稿は、確率的幾何学およびランダム形状理論を用いた統計枠組みを提案し、複数のmmWaveリンクにおける相関する遮蔽をモデル化する。独立性仮定が遮蔽確率を顕著に低く見積もることを示している。このモデルを用いてmmWaveセルラー網におけるリレーステーションの最適配置を最適化し、通信障害確率を最小化する。遮蔽相関とリンクバジェット制約の両方が、最適リレーステーション配置に顕著に影響することが示された。

ABSTRACT

Within the framework of 5G, blockage effects occurring in the mmWave band are critical. Previous works describe the effects of blockages in isolated and multiple links for simple blocking objects, modeled with mathematical tools such as stochastic geometry and random shape theory. Our study uses these tools to characterize a scenario with $N$ links, including the possible correlation among them in terms of blocking for several models of blocking objects. We include numerical evaluations highlighting that assuming independence among the links' blocking elements is a too-brief simplification and does not accurately describe the real scenario. This paper also applies the formulation developed for the case of $N$ links to optimize the relay positioning in mmWave cells for coverage enhancement, that is, to minimize the communication failure probability. We also show that both link budget and blockages affect the optimum positioning of the relays as they are both essential for successful transmission.

研究の動機と目的

• N本のmmWaveリンクにわたる相関する遮蔽効果を、確率的幾何学およびランダム形状理論を用いてモデル化すること。
• リンク間で遮蔽が独立であるという一般的な仮定を検証し、それが通信障害確率の過小評価につながることを示すこと。
• 導出された遮蔽モデルを応用し、カバレッジ向上を目的としたmmWaveセルラーシステムにおけるリレーステーションの最適配置を最適化すること。
• リレーステーション設置性能の評価において、遮蔽相関とリンクバジェット制約を併せて考慮すること。

提案手法

• 都市部の建物を表すために、サイズ・方向・高さがランダムな3次元長方形遮蔽物体モデルを採用する。
• 遮蔽要素の空間的分布をモデル化するためにポアソン点過程（PPP）を適用する。
• 幾何確率およびランダム形状理論を用いて統計的依存性を考慮し、N本のリンクにおける遮蔽の同時確率を導出する。
• 送信電力、アパートゲイン、受信感度といったリンクバジェット制約を組み込み、有効パスロスの上限を計算する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析的式の妥当性を検証し、さまざまなリレーステーション構成における障害確率を評価する。
• ユーザー位置全体の平均通信障害確率を最小化するようにリレーステーション位置を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のmmWaveリンクにおける遮蔽の相関が、独立仮定と比較して全体の通信障害確率にどのように影響するか？
• RQ2 mmWaveセルラーセルにおけるリレーステーションの最適配置は、遮蔽およびパスロスによる平均障害確率を最小化するためにどのようになるか？
• RQ3 リンクバジェット制約（送信電力、感度）が遮蔽効果とどのように作用し、真の障害確率を決定づけるか？
• RQ4 遮蔽パターンにおける空間的ダイバーシティを活用することで、システム信頼性はどの程度向上するか？
• RQ5 遮蔽物体の寸法および向きが、リンク間の遮蔽相関構造にどのように影響するか？

主な発見

• 遮蔽が独立であると仮定すると、障害確率が顕著に低く見積もられる。相関があると、特にリンクが密接に整列している場合、遮蔽確率が上昇する。
• 最適リレーステーション位置は、基地局から150 mのセル中心ではなく、セル端に近い位置に位置する。これはパスロスが低く抑えられ、遮蔽パターンの空間的ダイバーシティが優れているためである。
• リンクバジェット制約を組み込むと、遮蔽のみを考慮した分析と比較して、平均通信障害確率が5%以上上昇する。
• 感度および電力制限を考慮した場合、障害確率が最小になるリレーステーション距離はr ≈ 120 mであるのに対し、それらを考慮しない場合はr ≈ 150 mである。
• リンクが整列している場合（例：φ = 0°）に遮蔽相関が最も顕著になる。この場合、1本のリンクで遮蔽が発生すると、他のリンクでも遮蔽が発生する可能性が高くなる。
• 視線距離（LOS）確率（視線距離幾何学に基づく）は、実際のLOS確率と非常に高い精度で一致する（20 GHz以上の周波数帯で誤差 <1%）。これにより、分析における視線距離確率の使用が正当化される。