[论文解读] Limited by Capacity or Blockage? A Millimeter Wave Blockage Analysis

Ish Kumar Jain, Rajeev Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 19被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的分析模型，用于评估在开放公园类环境中，由于移动遮挡物和用户自遮挡导致的毫米波网络阻塞问题。该研究推导出阻塞概率、频率和持续时间的闭式表达式，结果表明，对于增强现实/虚拟现实（AR/VR）和低时延应用，网络设计主要受限于阻塞而非容量，维持服务质量（QoS）所需的最低基站（BS）密度为300/km²，以确保阻塞中断时间不超过10ms。

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.

研究动机与目标

• 使用随机几何方法对开放公园类场景中的动态阻塞和自阻塞进行建模。
• 推导出同时阻塞的阻塞概率、频率和期望持续时间的闭式表达式。
• 评估在增强现实/虚拟现实（AR/VR）和低时延应用中，满足服务质量（QoS）要求时，基站（BS）高度与密度之间的权衡。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论结果，使用随机行走移动模型模拟遮挡物运动。
• 确定满足任务关键型服务99.999%可靠性的最低基站（BS）密度。

提出的方法

• 使用泊松点过程对二维开放区域中基站（BS）和移动遮挡物的空间分布进行建模。
• 应用随机几何方法计算所有服务中的基站（BS）同时被阻塞的概率，将阻塞定义为到任意基站均无视 Line-of-Sight（LOS）路径的事件。
• 基于遮挡物速度、密度和几何结构，推导出阻塞频率和期望持续时间的解析表达式。
• 引入基于用户定义视角（60°）的自阻塞模型，以表征人体引起的阻塞。
• 通过MATLAB仿真验证理论结果，使用随机行走移动模型模拟遮挡物运动。
• 进行基站（BS）密度与高度的权衡分析，以优化低时延应用的网络规划。

实验结果

研究问题

• RQ1 在开放区域中，用户设备（UE）因所有服务基站（BS）同时被阻塞而发生阻塞的概率，其解析表达式是什么？
• RQ2 阻塞事件的频率和期望持续时间如何随基站（BS）密度、遮挡物密度和遮挡物速度变化？
• RQ3 提高基站（BS）高度在多大程度上可降低维持毫米波网络QoS所需的基站（BS）密度？
• RQ4 为满足99.999%可靠性要求，所需基站（BS）密度与仅基于容量的模型结果相比如何？
• RQ5 在增强现实/虚拟现实（AR/VR）应用中，为最小化阻塞相关中断，基站（BS）高度与密度之间存在何种最优权衡？

主要发现

• 为满足AR/VR应用的QoS要求，所需的最低基站（BS）密度主要由阻塞事件决定，而非容量限制，需达到300 BS/km²，以将中断频率控制在每1000秒一次以内。
• 当遮挡物密度为0.1 bl/m²时，基站（BS）密度为200–300/km²可分别将阻塞频率降低至每100–1000秒一次。
• 基站（BS）密度为300/km²时，所需缓存数据量减少至60 ms，若阻塞不频繁，则对AR/VR应用可能可接受。
• 将基站（BS）高度从4 m提高到8 m，可使所需基站（BS）密度降低约20%，表明存在显著的权衡优势。
• 在遮挡物密度较低（0.01 bl/m²）时，为满足99.999%可靠性（即阻塞概率为1/100,000），所需基站（BS）密度达到400 BS/km²，超过典型容量驱动的设计。
• 理论结果在低基站（BS）密度下与仿真结果偏差约10–15%，但仍在网络规划可接受的误差范围内。