[論文レビュー] Aerial-Ground Interference Mitigation for Cellular-Connected UAV

Weidong Mei, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2021

UAV Applications and Optimization被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、セルラー接続型UAVネットワークにおける深刻な空中・地上間干渉を解消するため、UAVおよび未使用基地局（BS）を活用した干渉低減技術を提案する。UAVのスペクトラムセンシングと未使用BSとの協調を活用することで、提案手法（UAVセンシング支援型ICICおよび上行リンク/下行リンクCIC）はスペクトル効率を著しく向上させ、従来の地上系ICICおよび排他的スペクトラムアクセス手法と比較して、UAVおよび地上UEの両方の合計スループットを向上させる。

ABSTRACT

To support large-scale deployment of unmanned aerial vehicles (UAVs) in future, a new wireless communication paradigm, namely, cellular-connected UAV, has recently received an upsurge of interests in both academia and industry. Specifically, cellular base stations (BSs) and spectrum are reused to serve UAVs as new aerial user equipments (UEs) for meeting their communication requirements. However, compared to traditional terrestrial UEs, the high altitude of UAVs results in more frequent line-of-sight (LoS) channels with both their associated and non-associated BSs in a much wider area, which causes stronger aerial-ground interference to both UAVs and terrestrial UEs. As such, conventional techniques designed for mitigating the terrestrial interference become ineffective in coping with the new and more severe UAV-terrestrial interference. To tackle this challenge, we propose in this article new interference mitigation solutions for achieving spectral efficient operation of the cellular network with co-existing UAVs and terrestrial UEs. In particular, we exploit the powerful sensing capability of UAVs and inactive BSs in the network for interference mitigation/cancellation. Numerical results are presented to verify the efficacy of the proposed solutions and show their significant spectrum efficiency gains over terrestrial interference mitigation techniques.

研究の動機と目的

• セルラー接続型UAVネットワークにおけるLoS優勢なUAV-地上チャネルに起因する深刻な空中・地上干渉を解消すること。
• 高高度のUAVによる広範囲カバーと強い干渉のため、従来の地上系干渉低減手法が効果を発揮しないという限界を克服すること。
• スペクトル利用を最大化するとともに干渉を最小限に抑えることで、UAVと地上UEの効率的共存を実現すること。
• UAVのセンシング能力と未使用BSを協調的ヘルパーとして活用し、従来の地上系ICICを超えた干渉協調領域を拡大すること。
• UAVと同周波数帯のBS間および未使用BS間での情報交換を活用した上行リンクおよび下行リンク干渉キャンセレーション（CIC）メカニズムにより、ネットワークのスペクトル効率を向上させること。

提案手法

• UAVの強い視線ライン（LoS）チャネルを活用し、複数の地上BSと信頼性の高い通信を実現することで、広範囲の干渉協調を可能にする。
• UAVのスペクトラムセンシングを実装し、干渉が最も少ないリソースブロック（RBs）を特定することで、動的かつ知能的なRB割り当てを実現し、空中・地上干渉を低減する。
• UAVのカバレッジ領域内（Du）のすべてのBSにUAVが割り当てたRBインデックスをブロードキャストすることで、局所的なセルクラスタを越えた干渉協調領域を拡大する。
• 上行リンクおよび下行リンクCICを導入：スペクトラムセンシング後、各UAVのサービスBSが復調済みメッセージを隣接する同周波数帯または未使用BSに転送し、干渉をキャンセルする。
• 未使用BSを補助受信機として活用し、干渉信号を復調・キャンセルすることで、追加のバックホールを要せず干渉低減効果を高める。
• 排他的アクセス、機会的アクセス、協調的スペクトラム共有を組み合わせたハイブリッドアクセス戦略を採用し、異なる干渉低減手法の性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAV支援型スペクトラムセンシングは、従来の地上系ICICと比較して、どのように干渉協調性とスペクトル効率を向上させるか？
• RQ2 地上UEの密度が増加する状況下で、異なる干渉低減手法の下でUAVおよび地上UEの合計スループットにどのような影響を与えるか？
• RQ3 未使用BSは、セルラー接続型UAVネットワークにおける干渉キャンセレーションと有効な協調領域の拡大に、どの程度寄与できるか？
• RQ4 上行リンク/下行リンクCICは、標準的なICICおよびセンシング支援型ICICと比較して、スペクトル効率および干渉抑制の観点でどのように優れているか？
• RQ5 UAVと地上UE間のスペクトラム共有は、ネットワーク合計スループットを最大化する一方で、性能の崩壊を避けるために効果的に管理可能か？

主な発見

• スケール4（UAVセンシング支援型ICIC）およびスケール5（上行リンク/下行リンクCIC）は、UAVセンシングと協調的BSの活用により干渉協調領域を拡大することで、従来の地上系ICIC（スケール3）を上回る性能を発揮する。
• 上行リンクでは、スケール5が有効な上行リンクCICのおかげで地上UEの合計スループットが最高水準に達するが、地上UE負荷の増加に対してもUAVの合計スループットは安定を保つ。
• 下行リンクでは、スケール5はスケール3およびスケール4を著しく上回り、複数のBSからの周波数干渉を効果的に低減する下行リンクCICの有効性を示している。
• 排他的スペクトラムアクセス（スケール1）では地上UEの合計スループットがゼロとなるため、共存に向けたスペクトラム隔離戦略の非効率性が明らかになった。
• スケール4およびスケール5によるスペクトラム共有は、スケール1およびスケール2と比較して、地上UE数の増加に伴い顕著なネットワーク合計スループットの向上をもたらす。
• 提案手法は、地上UE負荷が高くなる状況下でも高いUAV合計スループットを維持するため、高密度展開環境における耐障害性およびスケーラビリティを実証している。