[论文解读] Millimeter Wave Line-of-Sight Blockage Analysis

Ish Kumar Jain|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的分析模型，用于表征开放公园类环境中毫米波（mmWave）视 Line-of-Sight（LoS）阻塞事件。通过使用泊松点过程（Poisson point process）对基站（BS）和用户设备（UE）的位置进行建模，推导出阻塞概率、频率和持续时间的闭式表达式，揭示了阻塞动态特性——而非容量——主导了增强现实/虚拟现实（AR/VR）应用所需的基站密度，且明确量化了高度与密度之间的权衡。

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 thesis, 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

• 为解决在宏分集网络中缺乏对动态毫米波 LoS 阻塞的分析模型的问题。
• 量化由移动阻塞物和用户身体引起的阻塞事件对毫米波系统 QoS 的影响。
• 确定满足低时延 AR/VR 应用 QoS 所需的最小基站密度。
• 研究通过提高基站高度与降低密度之间的权衡，以最小化阻塞影响。
• 提出一种基于阻塞驱动设计而非仅容量的网络规划框架。

提出的方法

• 使用泊松点过程（PPP）对基站（BS）和用户设备（UE）的位置进行建模。
• 应用随机几何方法，基于阻塞物和 UE 移动性的空间分布，推导视 Line-of-Sight 阻塞的概率。
• 推导出阻塞概率、阻塞事件的期望频率和期望持续时间的闭式表达式。
• 考虑单个服务基站场景，并在阻塞期间启用向其他基站的宏分集切换。
• 将基站高度作为关键参数，建模其对 LoS 可用性和阻塞可能性的影响。
• 利用几何概率和覆盖分析，量化维持 QoS 所需的基站密度与高度之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在开放公园类环境中，毫米波 LoS 阻塞概率的分析表达式是什么？
• RQ2 阻塞事件的频率和持续时间如何随基站密度和高度变化？
• RQ3 在考虑阻塞约束的前提下，满足 AR/VR 应用 QoS 所需的最小基站密度是多少？
• RQ4 提高基站高度如何降低阻塞概率，其与所需密度之间的权衡关系如何？
• RQ5 阻塞动态特性而非频谱效率，多大程度上是决定基站部署密度的主要驱动力？

主要发现

• 阻塞事件——而非容量——主导了 AR/VR 应用所需的基站密度，QoS 约束是主要驱动力。
• 为维持 QoS 所需的最小基站密度显著高于仅由频谱效率决定的密度，这是由于频繁且持续时间较长的阻塞事件所致。
• 提高基站高度可降低阻塞概率，且存在可量化的高度与所需密度之间的权衡。
• 推导出基站密度与高度之间权衡的闭式表达式，为毫米波系统的实际网络规划提供支持。
• 通过足够的基站密度和最优高度布置，可缓解阻塞持续时间超过 10ms 的情况——这对 VR 用户体验至关重要。
• 该模型证实宏分集切换是有效的，但前提是网络规划基于阻塞统计数据而非仅容量。