[논문 리뷰] Analysis on 60 GHz Wireless Communications with Beamwidth-Dependent Misalignment

Guang Yang, Jinfeng Du외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 23.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 18인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 주 beam 폭에 따라 변하는 정렬 오차를 고려한 60 GHz 무선 시스템을 분석하며, 비정상적인 메인로브 이득과 비영인 사이드로브를 포함한 현실적인 안테나 패턴을 모델링한다. 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)의 분포와 그에 대한 날카운 감소 및 상한 경계를 유도하여, 비정렬 오차와 동시 전송 간섭이 성능에 결정적인 영향을 미치며, 비드 폭과 간섭에 대한 내성 간의 트레이드오���이 있음을 보여준다.

ABSTRACT

High speed wireless access on 60 GHz spectrum relies on high-gain directional antennas to overcome the severe signal attenuation. However, perfect alignment between transmitting and receiving antenna beams is rare in practice and overheard signals from concurrent transmissions may cause significant interference. In this paper we analyze the impact of antenna beam misalignment on the system performance of 60 GHz wireless access. We quantify the signal power loss caused by beam misalignment and the interference power accumulated from neighboring concurrent transmissions whose signals are leaked either via the main-beam pointing in the similar direction or via side-lobe emission, and derive the probability distribution of the signal to interference plus noise power ratio (SINR). For scenarios where interfering transmitters are distributed uniformly at random, we derive upper and lower bounds on the cumulative distribution function (abbreviated as CDF or c.d.f.) of SINR, which can be easily applied to evaluate system performance. We validate our analytical results by simulations where random nodes are uniformly distributed within a circular hall, and evaluate the sensitivity of average throughput and outage probability against two parameters: the half-power (3 dB) beamwidth to main-lobe beamwidth ratio and the beam misalignment deviation to main-lobe beamwidth ratio. Our results indicate that the derived lower bound performs well when the half-power beamwidth to main-lobe beamwidth ratio or the number of concurrent transmission links is small. When the number of active links is high, it is desirable in antenna design to balance the degradation caused by beam misalignment (wider beam is better) and the interference from concurrent transmission (narrower beam is better).

연구 동기 및 목표

• 방향성 안테나를 갖춘 60 GHz 무선 시스템의 성능에 대한 비정렬 오차와 현실적인 안테나 복사 패턴의 영향을 분석하는 것.
• 3GPP 표준을 기반으로 한 실용적인 방향성 안테나 모델을 사용하여, 비정상적인 메인로브 이득과 비영인 사이드로브 복사를 포함하는 것.
• 비정렬 오차로 인한 신호 세기 손실과 메인로브 및 사이드로브 누출을 통한 동시 전송 간섭을 정량화하는 것.
• 임의의 노드 분포 하에서 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)의 확률 분포를 유도하는 것.
• 시스템 성능 평가의 효율성을 높이기 위해 SINR의 누적분포함수(CDF)에 대한 날카운 상한 및 하한 경계를 수립하는 것.

제안 방법

• 전체 복사 전력 제약 조건을 갖춘 실용적인 3GPP 기반 안테나 복사 패턴 모델을 사용하여, 비균일한 메인로브 이득과 비영인 사이드로브 수준을 반영한다.
• 두 가지 핵심 정규화된 파라미터를 도입한다: 반전력 비드 폭 대 메인로브 비드 폭 비율(η)과 비정렬 편차 대 메인로브 비드 폭 비율(ρ).
• 메인로브 및 사이드로브 방출에 의한 이웃 동시 링크의 간섭 누적과 비정렬로 인한 신호 세기 저하를 모델링하여 SINR 분포를 유도한다.
• SINR의 확률밀도함수(PDF)를 유도하기 위해 두 개의 랜덤 변수 곱의 변환 기법을 적용한다.
• 스토케스틱 기하학과 순서 통계를 활용하여 SINR의 CDF에 대한 분석적 상한 및 하한 경계를 수립하여 효율적인 성능 평가를 가능하게 한다.
• 원형 실내 환경에서 균일하게 분포된 노드를 대상으로 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3GPP 기반 안테나를 갖춘 60 GHz 무선 시스템에서 비정렬 오차는 신호 세기와 간섭 수준에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 밀도가 높고 임의로 분포된 네트워크에서 메인로브 비드 폭과 사이드로브 복사 방출은 SINR 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 정규화된 파라미터인 η(메인로브 감쇠 속도)와 ρ(비정렬 편차)는 시스템 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 효율적인 성능 평가에 사용할 수 있는 SINR의 CDF에 대한 가장 날카운 분석적 경계는 무엇인가?
• RQ5 다양한 동시 링크 수에서 비드 폭과 비정렬 오차에 따라 평균 Throughput와 아웃지 전파 확률은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 반전력 비드 폭 대 메인로브 비드 폭 비율(η)이 작거나 동시 링크 수가 적을 경우, 유도된 SINR CDF 하한 경계가 양호한 성능를 보인다.
• 활성 링크 수가 증가함에 따라 넓은 비드 폭은 비정렬 오차로 인한 성능 저하를 줄이지만 간섭은 증가하므로, 비드 폭 설계 시 트레이드오프가 필요하다.
• ρ < 0.05일 경우, 링크당 평균 Throughput는 안정적이다. ρ가 1/6에 가까워질수록 성능 저하가 최대 30%에 이르며, 이는 고정밀도 정렬에 대해 수익 감소 효과를 나타낸다.
• 비정렬 오차로 인한 성능 저하는 다양한 메인로브 비드 폭(예: π/6 대비 π/3)에 대해 거의 동일하므로, ρ가 비정렬 영향에 대한 강건한 지표임을 검증한다.
• 활성 링크 수가 증가함에 따라 좁은 비드 폭(예: θₘ = π/12)은 넓은 비드 폭(θₘ = π/2)보다 훨씬 높은 합산 Throughput를 제공한다. 이는 간섭 감소에 기인한다.
• 메인로브 이득이 급격히 감쇠될 경우 좁은 비드 폭 링크는 간섭 제한이 되고, 넓은 비드 폭 링크는 전력/노이즈 제한이 되므로, η가 시스템 설계에서 중요한 역할을 한다.