[論文レビュー] The Influence of Canyon Shadowing on Device-to-Device Connectivity in Urban Scenario

Quentin Le Gall, Bartłomiej Błaszczyszyn+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 39被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、パーコレーション理論と線形視界（LOS）通信を伴うポアソン＝ボロノイストリートモデルを用い、キャンンンシャドウイング下での大規模なデバイス間（D2D）接続性を分析する。交差点における中継ノードの臨界閾値が71.3%であることが特定され、それ未満ではユーザ密度にかかわらず大規模な接続性は不可能である。また、通信範囲に対してストリート長がどのように影響するかに基づき、2つの異なる接続性領域が明らかになった。

ABSTRACT

In this work, we use percolation theory to study the feasibility of large-scale connectivity of relay-augmented device-to-device (D2D) networks in an urban scenario, featuring a haphazard system of streets and canyon shadowing allowing only for line-of-sight (LOS) communications in a limited finite range. We use a homogeneous Poisson-Voronoi tessellation (PVT) model of streets with homogeneous Poisson users (devices) on its edges and independent Bernoulli relays on the vertices. Using this model, we demonstrated the existence of a minimal threshold for relays below which large-scale connectivity of the network is not possible, regardless of all other network parameters. Through simulations, we estimated this threshold to 71.3%. Moreover, if the mean street length is not larger than some threshold (predicted to 74.3% of the communication range; which might be the case in a typical urban scenario) then any (whatever small) density of users can be compensated by equipping more crossroads with relays. Above this latter threshold, good connectivity requires some minimal density of users, compensated by the relays in a way we make explicit. The existence of the above regimes brings interesting qualitative arguments to the discussion on the possible D2D deployment scenarios.

研究の動機と目的

• 都市キャンバーにおけるキャンンンシャドウイングを伴う大規模D2D接続性の実現可能性を評価すること。
• ネットワーク全体の接続性を保証するための交差点における最小中継ノード密度を特定すること。
• ストリートの幾何構造とユーザ密度が中継ノード配置とどのように相互作用し、パーコレーションを促進または阻害するかを調査すること。
• 実際の都市環境における5G D2D展開戦略に向けた定量的でモデルベースの知見を提供すること。

提案手法

• 都市のストリートをホモジニアスなポアソン＝ボロノイタイルレーション（PVT）でモデル化する。
• ユーザをストリートエッジ上にホモジニアスなポアソン過程として配置し、中継ノードを交差点（頂点）に独立したベルヌーイ過程として配置する。
• 有限範囲の線形視界（LOS）通信を適用し、非LOSリンクを遮断するキャンンンシャドウイングを強制する。
• 連続媒体パーコレーション理論を用いて、無限大の連結成分（パーコレーション）の存在を評価する。
• ロジスティックフィッティングを用いたシミュレーションベースの臨界閾値推定法を採用する。
• キャンンン効果の影響を定量化するため、シャドウイングなしのベースラインと結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャンンンシャドウイング下で大規模D2D接続性を達成するために、交差点の何パーセントを中継ノードで占める必要があるか？
• RQ2 通信範囲に対して平均ストリート長がどのようにユーザ密度の必要性に影響を与えるか？
• RQ3 低ユーザ密度は、中継ノードの増加によって補償可能か？その条件は何か？
• RQ4 通信範囲に対してストリート長が短いか長いかに応じて、接続性領域はどのように異なるか？

主な発見

• 交差点における中継ノードの臨界閾値が71.3%に存在する：それ未満では、ユーザ密度やその他のパrameterにかかわらず、大規模D2D接続性は不可能である。
• 平均ストリート長が通信範囲の74.3%未満の場合、わずかなユーザ密度でも、交差点における十分な中継ノード配置によって補償可能である。
• この閾値を超えると、最小ユーザ密度が必要となり、その補償は定量的に定義された方法で中継ノードによって行われなければならない。
• 臨界ユーザ密度 $U_c(p,H)$ は $H$（ストリート長）とともに増加し、$p$（中継ノード割合）とともに減少するため、ユーザ密度と中継ノード配置のトレードオフが確認された。
• モデルは、キャンンンシャドウイングが接続性要件を根本的に変えること、特に交差点における中継ノードが戦略的に不可欠であることを示しており、シャドウイングなしのモデルとは対照的である。
• シミュレーション結果は、シャドウイングが非シャドウイングモデルと比較して接続性に必要なユーザ密度を増加させることを確認しており、実運用上の関連性が高まっている。