[論文レビュー] Coverage and Rate Analysis for Millimeter Wave Cellular Networks

Tianyang Bai, Robert W. Heath|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2014

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、視線（LOS）および視線外（NLOS）の基地局を、異なる路損モデルを備えた独立した非一様ポアソン点過程としてモデル化することで、ミリ波（mmWave）セルラー網における覆いおよびレート性能を分析する確率的幾何フレームワークを提案する。主な発見は、遮断の影響にもかかわらず、ビームフォーミングとLOSリンクの有利な伝搬特性のおかげで、密度の高いmmWaveネットワークはUHFシステムと同等の覆いを達成するが、はるかに高いデータレートを実現できることである。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) holds promise as a carrier frequency for fifth generation cellular networks. Because mmWave signals are sensitive to blockage, prior models for cellular networks operated in the ultra high frequency (UHF) band do not apply to analyze mmWave cellular networks directly. Leveraging concepts from stochastic geometry, this paper proposes a general framework to evaluate the coverage and rate performance in mmWave cellular networks. Using a distance-dependent line-of-site (LOS) probability function, the locations of the LOS and non-LOS base stations are modeled as two independent non-homogeneous Poisson point processes, to which different path loss laws are applied. Based on the proposed framework, expressions for the signal-to-noise-and-interference ratio (SINR) and rate coverage probability are derived. The mmWave coverage and rate performance are examined as a function of the antenna geometry and base station density. The case of dense networks is further analyzed by applying a simplified system model, in which the LOS region of a user is approximated as a fixed LOS ball. The results show that dense mmWave networks can achieve comparable coverage and much higher data rates than conventional UHF cellular systems, despite the presence of blockages. The results suggest that the cell size to achieve the optimal SINR scales with the average size of the area that is LOS to a user.

研究の動機と目的

• 遮断や指向性ビームフォーミングといった独自の伝搬課題のため、mmWaveセルラー網の解析的フレームワークが不足しているという問題に対処すること。
• 視線（LOS）および視線外（NLOS）の基地局を、距離に依存するLOS確率を持つ別々の非一様ポアソン点過程（PPP）としてモデル化すること。
• 現実的なmmWave路損モデルを想定した下で、SINRおよびレート覆い確率の閉形式表現を導出すること。
• 基地局密度およびビームフォーミング利得が、密度の高いmmWave展開におけるネットワーク性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• ユーザーからの距離に依存するLOS確率を有する2つの独立した非一様ポアソン点過程（PPP）として、LOSおよびNLOS基地局の位置をモデル化する。
• LOSリンクとNLOSリンクに異なる路損則を適用する：LOSには自由空間路損（指数2）を、NLOSにはシャドウイングを伴う高い指数（例：3.86～5.76）を用いる。
• 確率的幾何を用いて、レイノルズフェージングおよび指向性ビームフォーミングを想定した下で、信号対インタリーレンスプラスノイズ比（SINR）分布およびレート覆い確率を導出する。
• 密度の高いネットワークの漸近的特性を分析するために、LOS領域を固定半径の球体として近似する簡略化されたシステムモデルを導入する。
• LOSとNLOS基地局密度の比が固定されている場合、SIR分布が相対的基地局密度に依存しないことを確立し、漸近的解析を可能にする。
• 性能限界を特徴付けるために、最大および最小のビームフォーミング利得を仮定して、SINR覆い確率の下限および上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遮断の影響を受ける中で、基地局密度およびビームフォーミング利得がmmWaveネットワークの覆い確率にどのように影響するか？
• RQ2 距離に依存するLOS確率がmmWaveシステムのネットワーク性能に与える影響は何か？
• RQ3 LOSおよびNLOSリンクにおける異なる路損指数が、mmWaveセルラー網のSINRおよびレート覆いに与える影響は何か？
• RQ4 固定半径のLOS球体を仮定する簡略化モデルは、密度の高いmmWaveネットワークの性能を正確に予測できるか？
• RQ5 基地局密度が無限大に近づく際の、密度の高いmmWaveネットワークにおける漸近的SINR性能は何か？

主な発見

• 遮断や高い路損の影響にもかかわらず、ビームフォーミング利得および有利なLOS伝搬特性のおかげで、密度の高いmmWaveネットワークは、従来のUHFシステムと同等の覆いを達成する。
• mmWaveネットワークのレート覆い確率は、特にLOS環境に富む状況では、UHFシステムよりも1桁高い可能性がある。
• LOSリンクの路損指数が2より大きい場合、SINR覆い確率にゼロでない下限が存在し、安定した性能を示す。
• LOS路損指数が2以下である場合、基地局密度が増加するに従い、SINR覆い確率の上限が確率的にゼロに収束するため、特定の条件下では性能の崩壊が生じる可能性がある。
• LOSとNLOS基地局密度の比が固定されている場合、SIR分布は相対的密度に依存せず、簡略化された同等ネットワークモデルを用いた漸近的解析が可能になる。