[论文解读] Analysis of Human-Body Blockage in Urban Millimeter-Wave Cellular Communications

Margarita Gapeyenko, Andrey Samuylov+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的新型模型，用于解析表征城市毫米波网络中的人体遮挡问题，将行人建模为随机位置、可变高度和半径的圆柱体。主要贡献在于推导出遮挡概率作为发射机-接收机距离、天线高度和行人密度的函数，揭示了在密集城市环境中可最小化路径损耗并最大化信号可靠性的最优发射机高度。

ABSTRACT

The use of extremely high frequency (EHF) or millimeter-wave (mmWave) band has attracted significant attention for the next generation wireless access networks. As demonstrated by recent measurements, mmWave frequencies render themselves quite sensitive to "blocking" caused by obstacles like foliage, humans, vehicles, etc. However, there is a dearth of analytical models for characterizing such blocking and the consequent effect on the signal reliability. In this paper, we propose a novel, general, and tractable model for characterizing the blocking caused by humans (assuming them to be randomly located in the environment) to mmWave propagation as a function of system parameters like transmitter-receiver locations and dimensions, as well as density and dimensions of humans. Moreover, the proposed model is validated using a ray-launcher tool. Utilizing the proposed model, the blockage probability is shown to increase with human density and separation between the transmitter-receiver pair. Furthermore, the developed analysis is shown to demonstrate the existence of a transmitter antenna height that maximizes the received signal strength, which in turn is a function of the transmitter-receiver distance and their dimensions.

研究动机与目标

• 解决城市毫米波通信中人体遮挡缺乏解析模型的问题。
• 开发一种通用且可 tractable 的框架，以考虑非无穷小的接收机尺寸和随机的人体参数。
• 揭示系统设计洞见，特别是最小化遮挡和路径损耗的最优发射机高度。
• 通过与详细射线发射仿真对比，验证解析模型的真实世界准确性。

提出的方法

• 将人体遮挡物建模为具有随机高度（正态分布）和直径（均匀分布）的圆柱体，其质心遵循马尔可夫硬核点过程。
• 为便于分析，使用随机几何和更新理论的工具，将马尔可夫过程替换为等效的泊松点过程。
• 基于视 Line-of-Sight (LoS) 路径中断准则，推导出无穷小和区间（非无穷小）接收机的遮挡概率。
• 根据接收机孔径上被遮挡的射线数量，定义三种遮挡事件：部分遮挡、半遮挡和完全遮挡。
• 使用射线发射仿真器，在不同发射机-接收机距离、行人密度和接收机尺寸下验证解析结果。
• 将该模型应用于推导在给定发射机-接收机距离下可最小化平均路径损耗的最优发射机高度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在城市毫米波网络中，随机分布的行人引起的视 Line-of-Sight 遮挡的解析概率是多少？
• RQ2 接收机尺寸、发射机高度和行人密度如何共同影响遮挡概率？
• RQ3 是否存在一种可最小化路径损耗的发射机高度？该高度如何随发射机-接收机距离变化？
• RQ4 与高保真射线发射仿真相比，所提出的解析模型的准确性如何？
• RQ5 有限尺寸的点接收机与区间接收机的遮挡概率有何不同？

主要发现

• 遮挡概率随行人密度和发射机-接收机距离的增加而上升。
• 存在一个最优发射机高度，可最小化平均路径损耗，且该高度与发射机-接收机距离成正比。
• 在给定距离下，当接收机长度与平均遮挡物直径之比增大时，遮挡概率降低。
• 解析模型与射线发射仿真结果高度一致，最大绝对偏差小于 0.1（接收机尺寸为 10 cm 时）。
• 在长距离下，遮挡概率趋于平稳，因为视 Line-of-Sight 路径上遇到遮挡物的可能性极高。
• 随着发射机高度增加，遮挡概率呈指数下降，尤其在短距离时更为显著。