[논문 리뷰] Limited by Capacity or Blockage? A Millimeter Wave Blockage Analysis

Ish Kumar Jain, Rajeev Kumar외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 02.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 19인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 개방된 공원 유사 환경에서 이동하는 차단체와 사용자 자체 차단으로 인한 mmWave 네트워크의 차단을 분석하기 위해 확률적 기하학 기반의 해석 모델을 제안한다. 차단 확률, 주파수 및 지속 시간에 대한 폐쇄형 수식을 유도하여, AR/VR 및 저지연 응용 프로그램을 위한 네트워크 설계가 용량보다는 차단으로 인해 주로 제한됨을 밝혀내며, 10ms 이하의 장애 허용 기준을 유지하기 위해 최소 300/km²의 기지국(BS) 밀도가 필요하다고 결론내린다.

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 paper, 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

• 개방된 공원 유사 환경에서의 동적 및 자기 차단을 확률적 기하학을 활용해 mmWave 시스템에 모델링하기.
• 동시 차단의 확률, 빈도 및 평균 지속 시간에 대한 폐쇄형 수식 유도하기.
• AR/VR 및 저지연 응용 프로그램에서 QoS 요구사항을 충족하기 위해 기지국(BS) 고도와 밀도 간의 상호 교환 분석하기.
• 차단체의 무작위 이동 모델을 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 결과 검증하기.
• 임무 핵심 서비스를 위한 99.999% 신뢰성 요구사항을 충족시키기 위해 필요한 최소 기지국(BS) 밀도 도출하기.

제안 방법

• 2차원 개방 영역에서 기지국(BS)과 이동 차단체의 공간 분포를 포아송 점 프로세스로 모델링한다.
• 확률적 기하학을 적용하여 모든 서비스 기지국(BS)이 동시에 차단될 확률을 계산하며, 이는 어느 기지국에도 LOS 경로가 존재하지 않을 경우로 정의된다.
• 차단체 속도, 밀도 및 기하학적 특성에 기반해 차단 주파수 및 평균 지속 시간에 대한 해석 수식을 유도한다.
• 사용자 정의된 시야각(60°)을 사용해 신체에 의한 차단을 나타내는 자기 차단 모델을 도입한다.
• 차단체의 무작위 이동 모델을 사용한 MATLAB 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증한다.
• 저지연 응용 프로그램을 위한 네트워크 기획 최적화를 위해 기지국(BS) 밀도와 고도 간의 상호 교환 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개방된 지역에서 사용자 단말기(UE)가 모든 서비스 기지국(BS)이 동시에 차단될 경우의 확률에 대한 해석 수식은 무엇인가?
• RQ2 차단 주파수 및 평균 지속 시간은 기지국(BS) 밀도, 차단체 밀도 및 차단체 속도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 기지국(BS) 고도를 높임으로써 QoS 유지를 위한 기지국(BS) 밀도를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 99.999%의 신뢰성을 확보하기 위해 필요한 기지국(BS) 밀도는 용량 중심 모델에서 유도된 값과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 AR/VR 응용 프로그램에서 차단 관련 장애를 최소화하기 위해 기지국(BS) 고도와 밀도 사이의 최적 상호 교환 관계는 무엇인가?

주요 결과

• AR/VR 응용 프로그램의 QoS를 확보하기 위해 필요한 최소 기지국(BS) 밀도는 용량보다는 주로 차단 사건에 의해 결정되며, 1000초당 한 번 이하의 장애를 유지하기 위해 300 BS/km²의 밀도가 필요하다.
• 차단체 밀도가 0.1 bl/m²일 경우, 기지국(BS) 밀도 200–300/km²는 각각 100–1000초당 한 번의 차단 주파수로 감소시킨다.
• 기지국(BS) 밀도 300/km²는 캐시된 데이터 요구량을 60ms로 줄이며, 차단 빈도가 적으면 AR/VR에 있어 수용 가능한 수준일 수 있다.
• 기지국(BS) 고도를 4m에서 8m로 두 배로 늘리면 필요한 기지국(BS) 밀도가 약 20% 감소하여 상당한 상호 교환 이점이 있음을 보여준다.
• 저밀도의 차단체 밀도 0.01 bl/m²에서도 99.999% 신뢰성(100,000분의 1의 차단 확률)을 확보하기 위해 기지국(BS) 밀도가 400 BS/km²에 도달하며, 이는 일반적인 용량 기반 설계를 초과한다.
• 이론적 결과는 낮은 기지국(BS) 밀도에서 시뮬레이션 결과와 10–15% 이내의 편차를 보이며, 네트워크 기획에 있어 수용 가능한 오차 범위 내에 유지된다.