[논문 리뷰] Analysis of Human-Body Blockage in Urban Millimeter-Wave Cellular Communications

Margarita Gapeyenko, Andrey Samuylov외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 16.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 도시 밀링웨이브(mmWave) 네트워크에서 인간의 신체에 의한 차단을 분석적으로 특성화하기 위해 새로운 스토하스틱 기하학 기반 모델을 제안한다. 인간을 랜덤한 위치에 놓인 높이와 반경이 변하는 실린더로 모델링한다. 주요 기여는 송신기-수신기 간 거리, 안테나 높이, 인간의 밀도를 함수로 하는 차단 확률를 유도한 것으로, 밀도가 높은 도시 환경에서 경로 손실을 최소화하고 신호 신뢰성을 극대화하는 최적의 송신기 높이를 밝혀낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• mmWave 도시 통신에서 인간의 신체에 의한 차단에 대한 분석 모델의 부족을 해결하기 위해.
• 비무한소형 수신기 차원과 랜덤한 인간 신체 파rameter를 고려한 일반적이고 실용적인 프레임워크를 개발하기 위해.
• 특히 차단과 경로 손실을 최소화하는 데 기여하는 최적의 송신기 높이를 포함한 시스템 설계 통찰을 도출하기 위해.
• 실세계 정확도를 확보하기 위해 세부적인 레이 런칭 시뮬레이션과 분석 모델을 대조하기 위해.

제안 방법

• 인간 차단자를 정규분포를 따르는 높이와 균일분포를 따르는 지름을 가진 실린더로 모델링하고, 중심점들이 매테른 하드코어 점 프로세스를 따른다.
• 스토하스틱 기하학과 재생 이론 도구를 사용하여 분석을 용이하게 하기 위해 매테른 프로세스를 등가의 포아송 점 프로세스로 대체한다.
• 직선 통로(LoS) 경로 차단 기준을 사용하여 무한소형 및 간격(비무한소형) 수신기의 차단 확률을 유도한다.
• 수신기 개구부를 가로질러 차단된 선의 수에 따라 부분적, 반절, 전면적 차단의 세 가지 차단 사건을 정의한다.
• 다양한 송신기-수신기 간 거리, 인간의 밀도, 수신기 크기에서 분석 결과를 검증하기 위해 레이 런칭 시뮬레이터를 적용한다.
• 주어진 송신기-수신기 간 거리에서 평균 경로 손실을 최소화하는 최적의 송신기 높이를 도출하기 위해 모델을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무작위로 분포된 인간에 의한 도시 mmWave 네트워크에서 직선 통로(LoS) 차단의 분석적 확률은 무엇인가?
• RQ2 수신기 크기, 송신기 높이, 인간의 밀도가 함께 차단 확률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 경로 손실을 최소화하는 송신기 높이가 존재하는가? 그리고 이 높이는 송신기-수신기 간 거리와 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 고정밀 레이 런칭 시뮬레이션과 비교할 때 제안된 분석 모델의 정확도는 어느 정도인가?
• RQ5 유한한 크기의 점 수신기와 간격 수신기 간의 차단 확률에는 어떤 차이가 있는가?

주요 결과

• 차단 확률은 인간의 밀도와 송신기-수신기 간 거리가 증가할수록 증가한다.
• 평균 경로 손실을 최소화하는 최적의 송신기 높이가 존재하며, 이 높이는 송신기-수신기 간 거리에 비례한다.
• 주어진 간격에서, 수신기 길이 대 평균 차단자 지름의 비율이 증가할수록 차단 확률은 감소한다.
• 분석 모델은 레이 런칭 시뮬레이션과 밀도 있는 일치를 보이며, 10cm 수신기에서 최대 절대 편차가 0.1 이하이다.
• 큰 거리에서, 직선 통로 경로에 차단자가 존재할 가능성이 매우 높기 때문에 차단 확률이 포화 상태에 도달한다.
• 특히 짧은 거리에서 송신기 높이가 증가할수록 차단 확률은 지수적으로 감소한다.