[論文レビュー] Analysis on 60 GHz Wireless Communications with Beamwidth-Dependent Misalignment

Guang Yang, Jinfeng Du+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 18被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、ビーム幅に依存するアライメント誤差を伴う60 GHz無線システムを分析し、定数でないメインローブ利得および非ゼロのサイドローブを有する現実的なアンテナパターンをモデル化する。SINRの分布およびCDFのタイトな上限・下限を導出しており、ビームアライメント誤差と同時に発生する干渉が性能に顕著に影響することを示しており、ビーム幅の広さと干渉耐性の間にはトレードオフが存在する。

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).

研究の動機と目的

• 方向性アンテナを用いた60 GHz無線システムの性能に及ぼすビームアライメント誤差および現実的なアンテナ放射パターンの影響を分析すること。
• 3GPP標準に基づく実用的な指向性アンテナをモデル化し、定数でないメインローブ利得および非ゼロのサイドローブ放射を組み込むこと。
• ビームアライメントによる信号電力損失および、メインローブおよびサイドローブ漏れによる同時に発生する伝送からの干渉を定量的に評価すること。
• ランダムノード配置下における信号対干渉加算ノイズ比（SINR）の確率分布を導出すること。
• システム性能評価のための効率的かつ取り扱いやすいSINRの累積分布関数（CDF）のタイトな上限および下限を確立すること。

提案手法

• 全放射電力制約を満たす3GPPベースの実用的アンテナ放射パターンモデルを用い、非一様なメインローブ利得および非ゼロのサイドローブレベルを捉える。
• 2つの主要な正規化パラメータを導入する：半電力ビーム幅とメインローブビーム幅比（η）およびアライメント誤差とメインローブビーム幅比（ρ）。
• 信号電力の低下（アライメント誤差による）および隣接する同時伝送リンクからのメインローブおよびサイドローブ放射による干渉蓄積をモデル化し、SINRの分布を導出する。
• 2つの確率変数の積の変換技術を適用し、SINRの確率密度関数（PDF）を導出する。
• 確率的幾何学および順序統計を用いて、SINRのCDFの解析的上限および下限を確立し、効率的な性能評価を可能にする。
• 円形の屋内環境に一様に配置されたノードを用いたモンテカルロシミュレーションにより、解析結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 指向性アンテナを有する60 GHz無線システムにおいて、ビームアライメント誤差は信号電力および干渉レベルにどのように影響するか？
• RQ2 密な、ランダムに配置されたネットワークにおけるSINR分布に、メインローブビーム幅およびサイドローブ放射が及ぼす影響は何か？
• RQ3 正規化パラメータη（メインローブ減衰速度）およびρ（アライメント誤差偏差）は、システム性能にどのように影響するか？
• RQ4 効率的な性能評価に使用可能なSINRのCDFのタイトな解析的境界は何か？
• RQ5 複数の同時リンクが存在する状況下で、ビーム幅およびアライメント誤差の変化に伴い、平均スループットおよびアウトージ確率はどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 半電力ビーム幅とメインローブビーム幅比（η）が小さい場合、または同時に発生するリンク数が少ない場合には、SINRのCDFに対する導出した下限境界が良好に機能する。
• アクティブリンク数が増加するにつれて、広いビームはアライメント誤差に起因する劣化を軽減するが、同時に干渉を増加させるため、ビーム設計においてはトレードオフが不可避である。
• ρ < 0.05の範囲では、リンクごとの平均スループットは安定しているが、ρが1/6に近づくと劣化が最大30％に達し、高精度アライメントの恩恵が減少する傾向が示された。
• ビームアライメントによる性能劣化は、さまざまなメインローブビーム幅（例：π/6 と π/3）に対してほぼ一定であり、ρがアライメント誤差影響を強くロバストに評価できる指標であることを裏付けた。
• アクティブリンク数が増加するに従い、狭いビーム（例：θₘ = π/12）は広いビーム（θₘ = π/2）よりも著しく高い合計スループットを達成する。これは干渉低減に起因する。
• メインローブ利得が急速に減衰する場合、狭いビームリンクは干渉制限的になるが、広いビームリンクは主に電力／ノイズ制限的になる。これはηがシステム設計において重要な役割を果たすことを示している。