[논문 리뷰] Coverage and Rate Analysis for Millimeter Wave Cellular Networks

Tianyang Bai, Robert W. Heath|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 26.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 밀도 높은 밀리미터파(mmWave) 림계망에서의 커버리지 및 데이터 전송률 성능을 분석하기 위해 확률적 기하학 프레임워크를 제안한다. 선로 간섭(LOS) 및 비선로 간섭(NLOS) 기지국을 서로 독립적인 비균일한 포아송 점 프로세스로 모델링하며, 각각 다른 경로 손실 모델을 적용한다. 주요 발견은 밀도 높은 mmWave 네트워크가 블록화의 영향에도 불구하고 빔포밍과 유리한 LOS 링크 전파 특성 덕분에 기존 UHF 시스템과 유사한 커버리지 성능을 달성하지만, 더 높은 데이터 전송률을 제공한다는 것이다.

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) holds promise as a carrier frequency for fifth generation cellular networks. Because mmWave signals are sensitive to blockage, prior models for cellular networks operated in the ultra high frequency (UHF) band do not apply to analyze mmWave cellular networks directly. Leveraging concepts from stochastic geometry, this paper proposes a general framework to evaluate the coverage and rate performance in mmWave cellular networks. Using a distance-dependent line-of-site (LOS) probability function, the locations of the LOS and non-LOS base stations are modeled as two independent non-homogeneous Poisson point processes, to which different path loss laws are applied. Based on the proposed framework, expressions for the signal-to-noise-and-interference ratio (SINR) and rate coverage probability are derived. The mmWave coverage and rate performance are examined as a function of the antenna geometry and base station density. The case of dense networks is further analyzed by applying a simplified system model, in which the LOS region of a user is approximated as a fixed LOS ball. The results show that dense mmWave networks can achieve comparable coverage and much higher data rates than conventional UHF cellular systems, despite the presence of blockages. The results suggest that the cell size to achieve the optimal SINR scales with the average size of the area that is LOS to a user.

연구 동기 및 목표

• 블록화 및 방향성 빔포밍과 같은 고유한 전파 과제로 인해 mmWave 림계망에 대한 분석적 프레임워크가 부족한 데 대응하기 위해.
• LOS 및 NLOS 기지국을 거리에 따라 변화하는 LOS 확률을 고려한 별개의 비균일한 포아송 점 프로세스로 모델링하기 위해.
• 현실적인 mmWave 경로 손실 모델 하에서 신호 대 인터퍼런스 더하기 노이즈 비율(SINR) 및 전송률 커버리지 확률에 대한 닫힌 형식의 표현을 유도하기 위해.
• 기지국 밀도와 빔포밍 이득이 밀도 높은 mmWave 배포에서 네트워크 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 사용자로부터의 거리에 따라 의존하는 LOS 확률을 고려하여, LOS 및 NLOS 기지국의 위치를 두 개의 상호 독립적인 비균일한 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링한다.
• LOS 및 NLOS 링크에 각각 다른 경로 손실 법칙을 적용한다: LOS에는 자유공간 경로 손실(지수 2)을, NLOS에는 더 높은 지수(예: 3.86–5.76)와 샤프팅을 적용한다.
• 확률적 기하학을 적용하여 레이일레이 페이딩과 방향성 빔포밍 조건 하에서 신호 대 간섭 더하기 노이즈 비율(SINR) 분포 및 전송률 커버리지 확률을 유도한다.
• LOS 영역을 고정된 반경의 구로 근사화하여 밀도 높은 네트워크의 점근적 성능을 분석할 수 있는 단순화된 시스템 모델을 도입한다.
• LOS와 NLOS 기지국 밀도 비율이 고정되어 있을 경우 SIR 분포가 상대적 기지국 밀도에 영향을 받지 않음을 입증하여 점근적 분석이 가능하게 한다.
• 성능 한계를 특성화하기 위해 최대 및 최소 빔포밍 이득을 가정하여 SINR 커버리지 확률의 하한 및 상한을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록화 영향에도 불구하고 기지국 밀도와 빔포밍 이득이 증가함에 따라 mmWave 네트워크의 커버리지 확률은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 거리에 따라 변화하는 LOS 확률이 mmWave 시스템의 네트워크 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LOS 및 NLOS 링크에 대해 서로 다른 경로 손실 지수를 적용할 경우 mmWave 림계망의 SINR 및 전송률 커버리지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고정된 LOS 구로 근사화한 단순화된 모델이 밀도 높은 mmWave 네트워크의 성능을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 기지국 밀도가 무한대에 가까워질 때 밀도 높은 mmWave 네트워크의 점근적 SINR 성능은 어떻게 되는가?

주요 결과

• 블록화와 더불어 더 높은 경로 손실에도 불구하고, 빔포밍 이득과 유리한 LOS 전파 특성 덕분에 밀도 높은 mmWave 네트워크는 기존 UHF 시스템과 유사한 커버리지 성능을 달성한다.
• mmWave 네트워크의 전송률 커버리지 확률은 UHF 시스템보다 한 계단 높을 수 있으며, 특히 LOS 환경이 우세한 환경에서 더욱 두드러진다.
• LOS 링크의 경로 손실 지수가 2보다 클 경우, SINR 커버리지 확률에 대해 비영인 하한이 존재하여 안정적인 성능을 보임을 나타낸다.
• LOS 경로 손실 지수가 ≤ 2일 경우, 기지국 밀도가 증가함에 따라 SINR 커버리지 확률의 상한이 확률적으로 0으로 수렴하여 특정 조건에서는 성능 붕괴 가능성을 시사한다.
• LOS와 NLOS 기지국 밀도 비율이 고정되어 있을 경우 SIR 분포는 상대적 밀도 변화에 영향을 받지 않으며, 이는 단순화된 등가 네트워크 모델을 통한 점근적 분석이 가능함을 의미한다.