[論文レビュー] Limited by Capacity or Blockage? A Millimeter Wave Blockage Analysis

Ish Kumar Jain, Rajeev Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 19被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、オープンな公園のような環境における移動体ブロッカーおよびユーザー自身のブロッキングによるmmWaveネットワークのブロッキングを評価するため、確率的幾何学に基づく解析的モデルを提案する。ブロッキング確率、周波数、持続時間の閉形式式を導出しており、AR/VRおよび低遅延アプリケーションのネットワーク設計は、容量よりもブロッキングによって主に制限されることを明らかにした。10msの中断閾値を満たすために、最小で300/km²のBS密度が必要である。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) communication systems can provide high data rates but the system performance may degrade significantly due to mobile blockers and the user's own body. A high frequency of interruptions and long duration of blockage may degrade the quality of experience. For example, delays of more than about 10ms cause nausea to VR viewers. Macro-diversity of base stations (BSs) has been considered a promising solution where the user equipment (UE) can handover to other available BSs, if the current serving BS gets blocked. However, an analytical model for the frequency and duration of dynamic blockage events in this setting is largely unknown.In this paper, we consider an open park-like scenario and obtain closed-form expressions for the blockage probability, expected frequency and duration of blockage events using stochastic geometry. Our results indicate that the minimum density of BS that is required to satisfy the Quality of Service (QoS) requirements of AR/VR and other low latency applications is largely driven by blockage events rather than capacity requirements. Placing the BS at a greater height reduces the likelihood of blockage. We present a closed-form expression for the BS density-height trade-off that can be used for network planning.

研究の動機と目的

• オープンな公園のような状況における動的ブロッキングおよび自己ブロッキングを、確率的幾何学を用いてモデル化すること。
• 同時ブロッキングの確率、周波数、期待持続時間の閉形式式を導出すること。
• AR/VRおよび低遅延アプリケーションにおけるQoS要件を満たすために、BS高さと密度のトレードオフを評価すること。
• ブロッカーのランダム・ウェイポイント移動モデルを用いたモンテカルロシミュレーションにより、理論的結果を検証すること。
• ミッションクリティカルサービスの99.999％の信頼性を満たすために必要な最小BS密度を特定すること。

提案手法

• 2次元のオープンな領域における基地局（BS）および移動体ブロッカーの空間的分布をポアソン点過程でモデル化する。
• 確率的幾何学を用いて、すべてのサービス受信BSが同時にブロッキングされる確率を計算し、ブロッキングを「どのBSに対してもLOS路が存在しない」事象として定義する。
• ブロッカーの速度、密度、幾何的配置に基づき、ブロッキング周波数および期待持続時間の解析的式を導出する。
• ユーザーが定義する視野角（60°）を用いて、体によるブロッキングを表す自己ブロッキングモデルを導入する。
• ブロッカーのランダム・ウェイポイント移動モデルを用いたMATLABシミュレーションにより、理論的結果を検証する。
• 低遅延アプリケーション向けのネットワーク計画最適化を図るため、BS密度と高さのトレードオフ分析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オープンな領域において、すべてのサービス受信BSが同時にブロッキングされる確率の解析的表現は何か？
• RQ2 ブロッキングイベントの周波数および期待持続時間は、BS密度、ブロッカー密度、ブロッカー速度にどのように依存するか？
• RQ3 BS高さを向上させることで、QoSを維持するために必要なBS密度はどの程度低減できるか？
• RQ4 99.999％の信頼性を満たすために必要なBS密度は、容量のみを考慮したモデルと比較してどのように異なるか？
• RQ5 AR/VRアプリケーションにおけるブロッキング関連の中断を最小限に抑えるために、BS高さと密度の最適なトレードオフは何か？

主な発見

• AR/VRアプリケーションのQoSを満たすために必要な最小BS密度は、主にブロッキングイベントによって決定され、1000秒に1回の中断を抑えるために300 BS/km²の密度が必要である。
• ブロッカー密度が0.1 bl/m²の場合、BS密度を200–300/km²にすることで、ブロッキング周波数をそれぞれ100–1000秒に低下させることができる。
• BS密度を300/km²にすることで、キャッシュデータ量を60 msにまで低減でき、ブロッキングがまれな場合、AR/VR用途には許容可能である可能性がある。
• BS高さを4 mから8 mに倍増させると、必要なBS密度は約20％低減され、顕著なトレードオフの利点が得られる。
• 99.999％の信頼性（100,000分の1のブロッキング確率）を満たすために必要なBS密度は、ブロッカー密度が0.01 bl/m²の低密度でも400 BS/km²に達し、通常の容量ベースの設計を上回る。
• 理論的結果は、低BS密度においてシミュレーション結果と10–15％のずれを示すが、ネットワーク計画においては許容可能な誤差範囲内に保たれている。