[논문 리뷰] The Influence of Canyon Shadowing on Device-to-Device Connectivity in Urban Scenario

Quentin Le Gall, Bartłomiej Błaszczyszyn외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 08.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 39인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 도시 캐년에서의 라인오브사이트(LOS) 통신과 캐년 샤로잉을 고려한 퍼콜레이션 이론 및 포isson-보르노이 거리 모델을 사용하여 대규모 디바이스투디바이스(D2D) 연결성을 분석한다. 교차로에서의 임계 릴레이 임계값 71.3%를 규명하였으며, 이 값 이하일 경우 사용자 밀도와 관계없이 대규모 연결성이 불가능하다. 또한 도로 길이가 통신 범위에 비해 짧은지 긴지에 따라 두 가지로 구분되는 연결성 영역을 규명하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 도시 캐년 환경에서의 캐년 샤로잉이 존재하는 조건에서 대규모 D2D 연결성의 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 네트워크 전역의 연결성을 보장하기 위해 교차로에서 최소한의 릴레이 밀도가 얼마여야 하는지 규명하기 위해.
• 도로 기하학적 특성과 사용자 밀도가 릴레이 배치와 어떻게 상호작용하여 퍼콜레이션을 가능하게 하거나 방해하는지 조사하기 위해.
• 실제 도시 환경에서 5G D2D 배포 전략에 대한 정량적이고 모델 기반의 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 도시 도로를 동질적 포아송-보르노이 테세레이션(PVT)으로 모델링한다.
• 사용자를 도로 경계선에 동질적 포아송 과정으로 배치하고, 릴레이를 교차로(정점)에 독립적인 베르누이 과정으로 배치한다.
• 유한한 범위를 가진 라인오브사이트(LOS) 통신을 적용하며, 비-LOS 링크를 차단하는 캐년 샤로잉을 강제로 적용한다.
• 연속체 퍼콜레이션 이론을 사용하여 무한한 연결된 성분(퍼콜레이션) 존재 여부를 평가한다.
• 퍼콜레이션 확률의 로지스틱 피팅을 통한 시뮬레이션 기반 임계값 추정을 수행한다.
• 캐년 효과의 영향을 정량화하기 위해 비-샤로잉 기준 모델과 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캐년 샤로잉 조건에서 대규모 D2D 연결성을 달성하기 위해 교차로의 최소 몇 퍼센트가 릴레이를 장착해야 하는가?
• RQ2 통신 범위에 비해 평균 도로 길이가 짧을 경우, 사용자 밀도가 연결성에 미치는 영향은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 낮은 사용자 밀도는 릴레이 배치를 늘림으로써 상쇄할 수 있는가? 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ4 전송 범위에 비해 도로 길이가 짧거나 긴 경우, 연결성 영역은 어떻게 다를까?

주요 결과

• 교차로에서 임계 릴레이 임계값 71.3%가 존재한다: 이 값 이하일 경우, 사용자 밀도나 기타 파라미터와 관계없이 대규모 D2D 연결성이 불가능하다.
• 평균 도로 길이가 통신 범위의 74.3% 이하일 경우, 낮은 사용자 밀도는 교차로의 충분한 릴레이 배치로 상쇄될 수 있다.
• 이 임계값을 초과할 경우, 최소한의 사용자 밀도가 필요하며, 이는 정량적으로 정의된 방식으로 릴레이로 보완되어야 한다.
• 임계 사용자 밀도 $U_c(p,H)$ 는 $H$ (도로 길이)에 따라 증가하고 $p$ (릴레이 비율)에 따라 감소함을 확인하여, 사용자 밀도와 릴레이 배치 사이의 상충 관계를 입증한다.
• 모델은 캐년 샤로잉이 연결성 요구 조건을 본질적으로 변화시켜 교차로 릴레이의 전략적 필수성을 드러내며, 비-샤로잉 모델과는 다름을 확인한다.
• 시뮬레이션 결과는 샤로잉이 비-샤로잉 모델 대비 연결성을 확보하기 위해 더 높은 사용자 밀도가 필요하게 하며, 이는 결과가 더 실용적 운영 의미를 가짐을 확인한다.