[논문 리뷰] Millimeter Wave Line-of-Sight Blockage Analysis

Ish Kumar Jain|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 12.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 개방된 공원 유사 환경에서 밀리미터 웨이브(mmWave) 시선 방향(LoS) 차단 현상을 분석하기 위해 확률적 기하학 기반의 해석 모델을 제안한다. 기지국(BS)과 사용자 단말(UE)의 위치를 포아송 점 프로세스로 모델링함으로써, 차단 확률, 주파수 및 지속 시간에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, AR/VR 응용 프로그램을 위한 필수 BS 밀도에서 차단 역학이 용량보다 지배적임을 밝혀내며, 높이와 밀도 간의 상호보완 관계를 명시적으로 정량화한다.

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 thesis, 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.

연구 동기 및 목표

• 매크로 다이버시티 네트워크에서 동적 mmWave 시선 방향 차단을 위한 분석 모델의 부족을 해결하기 위해.
• 이동하는 차단체와 사용자 신체로 인한 차단 이벤트가 mmWave 시스템의 QoS에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 저지연 AR/VR 응용 프로그램의 QoS를 충족시키기 위해 필요한 최소 BS 밀도를 결정하기 위해.
• 차단 영향을 최소화하기 위한 BS 높이와 밀도 간의 상호보완 관계를 조사하기 위해.
• 용량에만 기반하는 것이 아니라 차단에 기반한 설계를 바탕으로 한 네트워크 계획 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 기지국(BS)과 사용자 단말(UE)의 위치를 동질적 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링한다.
• 확률적 기하학을 적용하여 차단체와 UE 이동성의 공간 분포에 기반한 시선 방향 차단 확률을 유도한다.
• 차단 확률, 예상 주파수 및 예상 지속 시간에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 단일 서비스 BS와 차단 중 다른 BS로의 매크로 다이버시티 핸드오버를 고려한 시나리오를 설정한다.
• BS 높이를 주요 매개변수로 설정하여 시선 방향 가용성과 차단 가능성에 미치는 영향을 모델링한다.
• 기하 확률과 커버리지 분석을 활용하여 QoS 유지를 위한 BS 밀도-높이 상호보완 관계를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개방된 공원 유사 환경에서 mmWave 시선 방향 차단의 해석적 표현식은 무엇인가?
• RQ2 차단 이벤트의 주파수와 지속 시간은 BS 밀도와 높이에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 차단 제약 조건을 고려할 때, AR/VR 응용 프로그램의 QoS를 충족시키기 위해 필요한 최소 BS 밀도는 얼마인가?
• RQ4 BS 높이를 증가시킬 경우 차단 확률은 어떻게 감소하고, 그에 따른 BS 밀도와의 상호보완 관계는 어떠한가?
• RQ5 차단 역학이 스펙트럼 효율성보다도 BS 배치 밀도의 주요 결정 요인인가?

주요 결과

• AR/VR 응용 프로그램을 위한 필수 BS 밀도에서 차단 이벤트가 용량보다 지배적이며, QoS 제약 조건이 주요 동력이다.
• 빈번하고 장기적인 차단으로 인해, QoS를 유지하기 위해 필요한 최소 BS 밀도는 스펙트럼 효율성만으로 결정되는 것보다 크게 높다.
• BS 높이를 증가시키면 차단 확률이 감소하며, 높이와 필요 밀도 간에 정량화된 상호보완 관계가 존재한다.
• BS 밀도-높이 상호보완 관계에 대한 폐쇄형 표현식을 도출하여 mmWave 시스템의 실용적 네트워크 계획을 가능하게 한다.
• VR 사용자 경험에 중요한 10ms 이상의 차단 지속 시간은 충분한 BS 밀도와 최적의 높이 배치를 통해 완화될 수 있다.
• 모델은 매크로 다이버시티 핸드오버가 효과적임을 확인하지만, 이는 용량뿐 아니라 차단 통계에 기반한 네트워크 차원 조정이 이루어져야만 가능하다.