[论文解读] The Influence of Canyon Shadowing on Device-to-Device Connectivity in Urban Scenario

Quentin Le Gall, Bartłomiej Błaszczyszyn+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 39被引用 8

一句话总结

本文利用渗透理论与泊松-沃罗诺伊街道模型，在视距（LOS）通信及峡谷阴影效应下分析大规模设备到设备（D2D）连接性。研究识别出在十字路口处存在一个71.3%的关键中继阈值——低于此值，无论用户密度如何，大规模连接性均不可能实现，并揭示了基于街道长度与通信半径关系的两种不同连接性模式。

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.

研究动机与目标

• 评估在存在峡谷阴影效应的城市环境中大规模D2D连接性的可行性。
• 确定为确保全网连接性，街道十字路口所需达到的最小中继密度。
• 研究街道几何结构与用户密度如何与中继部署相互作用，以促进或阻碍渗透现象。
• 为真实城市场景中5G D2D部署策略提供基于模型的定量洞察。

提出的方法

• 使用齐次泊松-沃罗诺伊镶嵌（PVT）对城市街道进行建模。
• 将用户作为齐次泊松过程放置在街道边缘，将中继作为独立的伯努利过程放置在街道顶点（十字路口）。
• 应用视距（LOS）通信，通信范围有限，并强制实施峡谷阴影效应，阻断非视距链路。
• 使用连续介质渗透理论评估是否存在无限连通分量（即渗透现象）。
• 通过逻辑回归拟合连通概率，采用仿真方法估计临界阈值。
• 与无阴影效应基线进行比较，量化峡谷效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在峡谷阴影效应下，为实现大规模D2D连接性，必须配备中继的十字路口最小比例是多少？
• RQ2 当平均街道长度相对于通信范围较短时，用户密度对连接性的必要性如何变化？
• RQ3 是否可以通过增加中继部署来补偿低用户密度？在何种条件下可行？
• RQ4 当街道长度相对于传输范围较短或较长时，连接性模式有何不同？

主要发现

• 在十字路口存在一个71.3%的关键中继阈值：低于此值，无论用户密度或其他参数如何，大规模D2D连接性均不可能实现。
• 当平均街道长度低于通信范围的74.3%时，即使用户密度较低，只要十字路口的中继部署足够充分，仍可实现连接性。
• 超过此阈值后，必须存在最小用户密度，且该密度需通过定量定义的方式由中继部署进行补偿。
• 临界用户密度 $U_c(p,H)$ 随 $H$（街道长度）增加而增加，随 $p$（中继比例）增加而减少，证实了用户密度与中继部署之间的权衡关系。
• 该模型表明，峡谷阴影效应从根本上改变了连接性需求，使十字路口中继成为战略性关键要素——这与无阴影模型的结论截然不同。
• 仿真结果证实，与无阴影模型相比，阴影效应增加了实现连接性所需的用户密度，使研究结果更具实际操作相关性。