[論文レビュー] Analysis of Human-Body Blockage in Urban Millimeter-Wave Cellular Communications

Margarita Gapeyenko, Andrey Samuylov+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、都市部のミリ波通信網における人間の体による遮蔽を解析的に特徴付けるための新しい確率的幾何学的モデルを提案する。人間を高さと半径が変動するランダムな位置に配置された円柱としてモデル化する。主な貢献は、送信機受信機間隔、アンテナの高さ、および人間の密度を関数として遮蔽確率を導出することであり、密集した都市環境における経路損失を最小化し、信号の信頼性を最大化する最適な送信機高さを明らかにしている。

ABSTRACT

The use of extremely high frequency (EHF) or millimeter-wave (mmWave) band has attracted significant attention for the next generation wireless access networks. As demonstrated by recent measurements, mmWave frequencies render themselves quite sensitive to "blocking" caused by obstacles like foliage, humans, vehicles, etc. However, there is a dearth of analytical models for characterizing such blocking and the consequent effect on the signal reliability. In this paper, we propose a novel, general, and tractable model for characterizing the blocking caused by humans (assuming them to be randomly located in the environment) to mmWave propagation as a function of system parameters like transmitter-receiver locations and dimensions, as well as density and dimensions of humans. Moreover, the proposed model is validated using a ray-launcher tool. Utilizing the proposed model, the blockage probability is shown to increase with human density and separation between the transmitter-receiver pair. Furthermore, the developed analysis is shown to demonstrate the existence of a transmitter antenna height that maximizes the received signal strength, which in turn is a function of the transmitter-receiver distance and their dimensions.

研究の動機と目的

• ミリ波都市通信における人間の体による遮蔽のための解析的モデルの不足に対処すること。
• 非無限小の受信機サイズとランダムな人体パラメータを考慮する一般的で実用的なフレームワークの開発。
• 遮蔽と経路損失を最小化するためのシステム設計のインサイト、特に最適な送信機高さの同定。
• 実世界の正確性を確保するため、詳細なレイトレーシングシミュレーションと照合して解析的モデルを検証すること。

提案手法

• 中心がマテルン硬核点過程に従う、高さ（正規分布に従う）と直径（一様分布に従う）がランダムな円柱として人間の遮蔽体をモデル化。
• 解析の簡便化のため、確率的幾何学および再生理論のツールを用いてマテルン過程を同等のポアソン点過程に置き換える。
• 視線（LoS）経路の遮断基準を用いて、無限小および区間（非無限小）受信機の両方の遮蔽確率を導出。
• 受信機開口部に遮蔽される線の数に基づき、部分的遮蔽、半分遮蔽、完全遮蔽の3つの遮蔽イベントを定義。
• さまざまな送信機受信機間隔、人間の密度、受信機サイズの条件下で、解析結果をレイトレーシングシミュレータを用いて検証。
• 送信機受信機間隔が与えられた場合に平均経路損失を最小化する最適な送信機高さを導出するために、本モデルを応用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 都市部のミリ波通信網において、ランダムに配置された人間が引き起こす視線遮蔽の解析的確率は何か？
• RQ2 受信機サイズ、送信機高さ、人間の密度が、遮蔽確率にどのように同時に影響を与えるか？
• RQ3 経路損失を最小化する送信機高さが存在するか？また、これは送信機受信機間隔にどのようにスケーリングされるか？
• RQ4 高精度なレイトレーシングシミュレーションと比較して、本稿で提案する解析的モデルの正確性はどの程度か？
• RQ5 有限サイズの点受信機と区間受信機の間で、遮蔽確率にどのような差が生じるか？

主な発見

• 遮蔽確率は、人間の密度と送信機受信機間隔の両方の増加に伴い上昇する。
• 平均経路損失を最小化する最適な送信機高さが存在し、この高さは送信機受信機間隔に比例する。
• 与えられた間隔に対して、受信機長さと平均遮蔽体直径の比が高くなるほど、遮蔽確率は低下する。
• 解析的モデルは、レイトレーシングシミュレーションとよく一致しており、10 cmの受信機に対して最大絶対誤差が0.1未満である。
• 長距離では、視線経路上に遮蔽体が存在する可能性が高いため、遮蔽確率が飽和する。
• 送信機高さが増加するにつれて、遮蔽確率は特に短距離で指数関数的に減少する。