[論文レビュー] A Stochastic Geometry Model of Backhaul and User Coverage in Urban UAV Networks

Boris Galkin, Jacek Kibiłda+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 17被引用数 39

ひとこと要約

本稿では、遮断、干渉、アンテナの指向性を考慮した都市部UAVネットワークにおける共同バックホールおよびユーザー被覆確率を分析するための確率的幾何モデルを提案する。ユーザー被覆確率の閉形式表現を導出し、被覆を最大化する最適なUAV高度が存在することを示し、地上ユーザーをサービスする際、バックホール制約を満たすためにUAVが自ら高度を調整することで性能が維持されることを示している。

ABSTRACT

Wireless access points on unmanned aerial vehicles (UAVs) are being considered for mobile service provisioning in commercial networks. To be able to efficiently use these devices in cellular networks it is necessary to first have a qualitative and quantitative understanding of how their design parameters reflect on the service quality experienced by the end user. In this paper we model a network of UAVs operating at a certain height above ground to provide wireless service within coverage areas shaped by their directional antennas, with the UAVs using the existing terrestrial base station network for wireless backhaul. We provide an analytical expression for the coverage probability experienced by a typical user as a function of the UAV parameters. Using our derivations we demonstrate the existence of an optimum UAV height which maximises the end user coverage probability. We then explore a scenario where the UAVs adjust their individual heights to meet their backhaul requirements while at the same time attempting to maximise the coverage probability of the end user on the ground.

研究の動機と目的

• 確率的幾何学的手法を用いて、都市環境におけるUAVバックホールとユーザー被覆の共同的影響をモデル化すること。
• UAV高度、アンテナビーム幅、環境パラメータがエンドユーザー被覆確率に与える影響を定量化すること。
• 高密度都市部におけるUAVバックホールの信頼性とユーザーサービス品質のトレードオフを分析すること。
• UAVが自ら高度を調整することで、バックホール要件を満たしつつユーザー被覆を最大化できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 建物をランダムな高さと位置で表現した地面平面の上に、UAVをポアソン点過程としてモデル化する。
• 確率的幾何学的手法を用いて、UAVからユーザーへのリンクおよびUAVバックホールリンクからの干渉のラプラス変換を導出する。
• リンクの幾何学的特徴と建物密度に基づく一般化されたナカガミ-m fadingおよびライン・オブ・サイト（LOS）確率モデルを組み込む。
• 典型的ユーザーの被覆確率を、UAV高度、密度、ビーム幅、SINR閾値の関数として閉形式で導出する。
• 干渉解析のためのラプラス変換の高階微分を計算するために、ファ・ア・ブルーノの公式を適用する。
• 変動するUAV高度、密度、環境条件の下で、数値シミュレーションを用いて解析結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遮断と干渉を伴う都市環境において、ユーザー被覆確率を最大化する最適なUAV高度は何か？
• RQ2 UAVバックホールの信頼性は、UAV高度および地上基地局の分布にどのように依存するか？
• RQ3 UAVは、バックホール要件を満たしつつユーザー被覆を最大化するように、自ら高度を選択できるか？
• RQ4 建物密度とアンテナビーム幅は、UAVネットワークの被覆性能にどのように影響するか？
• RQ5 フェージング（ナカガミ-m）およびLOS確率の影響は、全体のシステム被覆にどのように現れるか？

主な発見

• ユーザー被覆確率を最大化する最適なUAV高度が存在し、その最適値はUAV密度、ビーム幅、SINR閾値に依存する。
• UAVがバックホール要件を満たすために高度を調整する場合、すべてのUAVが固定された最適高度で動作する場合と比較して、ユーザー被覆確率は同程度に維持される。
• UAVが指向性アンテナを装備し、中程度の高度（例：約100 m）で動作することで、LOS確率と干渉のバランスが取られ、被覆確率が顕著に向上する。
• UAVが十分な高度にあり、高利得指向性アンテナを使用する場合、既存のLTE基地局を介してバックホールの信頼性が達成可能である。
• 解析モデルは、現実的な都市環境下での数値シミュレーションにより妥当性が検証され、システム性能を正確に予測できる。
• 本モデルは、知的な高度適応により、UAVネットワークがバックホールとユーザー被覆要件を同時に満たせることを示している。