[论文解读] Analysis of Blocking in mmWave Cellular Systems: Application to Relay Positioning

Cristian García Ruiz, Antonio Pascual‐Iserte+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 30被引用 29

一句话总结

本文提出一种基于随机几何与随机形状理论的统计框架，用于建模多条毫米波链路间的相关遮挡效应，表明独立性假设会显著低估遮挡概率。该模型被应用于毫米波蜂窝网络中中继位置的优化，结果表明遮挡相关性与链路预算约束对最小化通信中断概率的最优中继部署具有关键影响。

ABSTRACT

Within the framework of 5G, blockage effects occurring in the mmWave band are critical. Previous works describe the effects of blockages in isolated and multiple links for simple blocking objects, modeled with mathematical tools such as stochastic geometry and random shape theory. Our study uses these tools to characterize a scenario with $N$ links, including the possible correlation among them in terms of blocking for several models of blocking objects. We include numerical evaluations highlighting that assuming independence among the links' blocking elements is a too-brief simplification and does not accurately describe the real scenario. This paper also applies the formulation developed for the case of $N$ links to optimize the relay positioning in mmWave cells for coverage enhancement, that is, to minimize the communication failure probability. We also show that both link budget and blockages affect the optimum positioning of the relays as they are both essential for successful transmission.

研究动机与目标

• 使用随机几何与随机形状理论，对N条毫米波链路间的相关遮挡效应进行建模。
• 挑战链路间遮挡独立的常见假设，表明该假设会导致对通信中断概率的过度乐观估计。
• 将推导出的遮挡模型应用于毫米波蜂窝系统中继位置的优化，以增强覆盖范围。
• 在评估中继部署性能时，联合考虑遮挡相关性与链路预算约束。

提出的方法

• 采用具有随机尺寸、方向与高度的三维矩形遮挡物模型，以表示城市建筑。
• 应用泊松点过程（PPP）对遮挡物的空间分布进行建模。
• 通过几何概率与随机形状理论，考虑统计依赖性，推导出N条链路的联合遮挡概率。
• 引入链路预算约束（发射功率、波束成形增益、接收机灵敏度）以计算有效路径损耗限制。
• 使用蒙特卡洛仿真验证分析表达式，并评估不同中继配置下的中断概率。
• 通过最小化用户位置上的平均通信中断概率，优化中继位置。

实验结果

研究问题

• RQ1 与独立遮挡假设相比，多条毫米波链路间遮挡的相关性如何影响整体通信中断概率？
• RQ2 在毫米波蜂窝小区中，中继的最优部署位置应如何选择，以最小化由遮挡与路径损耗引起的平均中断概率？
• RQ3 链路预算约束（发射功率、灵敏度）如何与遮挡效应相互作用，从而决定真实的中断概率？
• RQ4 利用遮挡模式中的空间分集特性，能在多大程度上提升系统可靠性？
• RQ5 遮挡物的尺寸与方向如何影响链路间遮挡的相关性结构？

主要发现

• 假设遮挡独立会导致中断概率被显著低估——相关性会提高遮挡概率，尤其在链路对齐时更为明显。
• 最优中继位置并非位于小区中心（例如距离基站150 m处），而是更靠近小区边缘，因为路径损耗更低，且遮挡模式的空间分异特性更优。
• 与仅考虑遮挡的分析相比，引入链路预算约束会使平均通信中断概率增加超过5%。
• 当考虑灵敏度与功率限制时，最小中断概率出现在中继距离基站约120 m处，而忽略这些限制时则为约150 m。
• 当链路对齐时（例如φ = 0°），遮挡相关性最为显著，一条链路的遮挡极有可能导致另一条链路也发生遮挡。
• 基于视 Line-of-Sight（LOS）几何的视觉LOS概率，是实际LOS概率的高精度近似（误差 <1% 当f > 20 GHz），从而支持其在分析中的使用。