[논문 리뷰] Stochastic Analysis on Downlink Performance of Coexistence between WiGig and NR-U in 60 GHz Band

John Verboom, Seungmo Kim|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 02.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 10인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 60 GHz 대역에서 WiGig와 NR-U 간의 공존 환경에서 다운링크 성능을 위한 확률적 모델을 제안하며, 밀도 높은 소셀 망 환경에서 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다. 그 결과, SINR와 데이터 전송 속도는 삼모드 정규분포 혼합 분포를 따르며, 심한 간섭을 받는 사용자(평균 SINR 24.63 dB), 경미한 간섭을 받는 사용자(52.21 dB), 간섭이 없는 사용자(64.55 dB)로 나뉘는 명확한 모드를 보이며, 간섭을 받는 사용자 중 77.1%가 심각한 성능 저하를 겪는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

The 60 GHz band (57-71 GHz) has been attracting considerable research interest thanks to the bandwidth abundance and ruling as an unlicensed band. The 60 GHz Wi-Fi (also known as WiGig) and 5G New Radio Unlicensed (NR-U) are among the key access technologies that will operate in the band. This paper inspects the downlink performance of the two technologies under inter-technology interference from each other in 60 GHz band. Based on a dense small-cell setting, this paper finds stochastic models for signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) and data rate. Via simulations, this paper discovers that the downlink SINR and data rate follow Gaussian mixture distributions with three modes representing (i) severely interfered, (ii) mildly interfered, and (iii) not interfered UEs.

연구 동기 및 목표

• 60 GHz 비허가 대역에서 WiGig와 NR-U 간의 상호 기술 간섭으로 인한 다운링크 성능 저하를 분석하기 위해.
• 밀도 높은 소셀 배치 환경에서의 공존 조건 하에서 SINR 및 데이터 전송 속도의 통계적 분포를 모델링하기 위해.
• 방향성 빔포밍과 무작위 공간 배치가 간섭 심각도에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 실제 60 GHz 공존 시나리오에서의 성능 예측을 위한 확률적 프레임워크를 제공하기 위해.
• 간섭 영역 및 그 발생 확률을 규명함으로써 네트워크 설계를 안내하기 위해.

제안 방법

• 2차원 도시 유사 환경에서 기지국(NR-U)과 액세스 포인트(WiGig)를 무작위로 배치하기 위해 1,000번 이상의 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 30 dB의 전방 대 후방 이득 비율을 가진 방향성 빔포밍 모델을 사용하여 실제 mmWave 전파를 시뮬레이션한다.
• 신호 전력, 간섭 및 열노이즈를 기반으로 샤논의 공식을 사용해 각 사용자별 SINR 및 데이터 전송 속도를 계산한다.
• 간섭 수준을 나타내는 세 개의 성분을 가진 정규분포 혼합 모델에 경험적 PDF를 피팅한다.
• 빔 방향성과 공간 분포의 영향을 분리하기 위해 간섭을 받은 사용자와 간섭이 없는 사용자를 별도로 분석한다.
• MATLAB 기반 곡선 피팅을 통해 정규분포 성분의 혼합 파라미터(평균, 비율)를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WiGig와 NR-U 간의 공존은 밀도 높은 60 GHz 환경에서 다운링크 SINR에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 상호 기술 간섭 하에서 SINR 및 데이터 전송 속도를 가장 잘 설명하는 통계적 분포는 무엇인가?
• RQ3 빔포밍의 방향성과 공간적 무작위성이 간섭 심각도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공존 시나리오에서 어떤 비율의 사용자가 심각한, 경미한 또는 간섭이 없는 상태에 있는가?
• RQ5 식별 가능한 간섭 영역을 가진 확률적 모델을 통해 성능 저하를 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 다운링크 SINR 및 데이터 전송 속도 분포는 삼모드 정규분포 혼합 분포를 따르며, 심각하게 간섭을 받는 사용자, 경미하게 간섭을 받는 사용자, 간섭이 없는 사용자로 나뉘는 명확한 피크를 보인다.
• 심각하게 간섭을 받는 사용자의 평균 SINR은 24.63 dB이며, 경미하게 간섭을 받는 사용자는 평균 SINR 52.21 dB를 경험하고, 간섭이 없는 사용자는 64.55 dB를 달성한다.
• 심각하게 간섭을 받는 사용자는 전체 간섭을 받는 사용자 중 77.1%를 차지하며, 경미하게 간섭을 받는 사용자는 간섭을 받는 사용자 집단의 22.9%를 차지한다.
• 간섭이 없는 사용자의 평균 데이터 전송 속도는 약 5 Gbps에 도달하지만, 간섭을 받는 사용자는 평균 1.70 Gbps를 경험하여 약 66% 감소한 것으로 나타났다.
• 간섭을 받는 사용자들의 SINR 저하는 비간섭 사용자 대비 약 63.8%이며, 주요 원인은 빔 정렬 및 간섭원과의 공간적 근접도에 기인한다.
• 간섭 모드의 분리 원인은 주로 방향성 빔포밍에 기인하며, 빔이 보이지 않는 방향(비직선 시야)일 경우 간섭이 가장 약하고, 직선 시야일 경우 간섭이 가장 강하다.