[論文レビュー] Backhaul-aware Robust 3D Drone Placement in 5G+ Wireless Networks

Elham Kalantari, Muhammad Zeeshan Shakir+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 9被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、5G+ネットワークにおけるドローン基地局（ドローン-BS）のバックホールを考慮した3次元配置アルゴリズムを提案し、無線バックホールの容量制約下で、総サービス対象ユーザー数（ネットワーク中心）または合計スループット（ユーザー中心）を最適化する。主な貢献は、ユーザー移動に対しても最適3次元配置が頑健であることを示したことであり、最大100メートル移動してもユーザーのドロップ率が2％未満にとどまることを明らかにした。

ABSTRACT

Using drones as flying base stations is a promising approach to enhance the network coverage and area capacity by moving supply towards demand when required. However deployment of such base stations can face some restrictions that need to be considered. One of the limitations in drone base stations (drone-BSs) deployment is the availability of reliable wireless backhaul link. This paper investigates how different types of wireless backhaul offering various data rates would affect the number of served users. Two approaches, namely, network-centric and user-centric, are introduced and the optimal 3D backhaul-aware placement of a drone-BS is found for each approach. To this end, the total number of served users and sum-rates are maximized in the network-centric and user-centric frameworks, respectively. Moreover, as it is preferred to decrease drone-BS movements to save more on battery and increase flight time and to reduce the channel variations, the robustness of the network is examined as how sensitive it is with respect to the users displacements.

研究の動機と目的

• ドローン-BS展開において無線バックホール制限が無視されている点に起因する、データレートとユーザー容量の著しい制限を是正する。
• 変動する無線バックホールピークレート（例：FSO、mmWave、RF）を重要な設計制約として組み込む3次元配置アルゴリズムの開発。
• 異種のレート要件を満たす条件下で、総サービス対象ユーザー数（ネットワーク中心）またはサービス対象ユーザーの合計スループット（ユーザー中心）を最大化する。
• ユーザー移動に対する最適配置ソリューションの頑健性を評価し、不要なドローン再配置とエネルギー消費を低減する。

提案手法

• ドローンの高度と水平座標をバックホール容量制約下で最適化する3次元ドローン-BS配置問題を定式化する。
• ネットワーク中心（総サービス対象ユーザー数を最大化）とユーザー中心（サービス対象ユーザーの合計スループットを最大化）の2つの異なる最適化フレームワークをモデル化する。
• FSOおよびRFベースのバックホールを含む現実的な無線バックホールモデルを導入し、変動するピークレートと天候による劣化を考慮する。
• 数値最適化を用いて、バックホールおよびユーザー分布の制約下で、選択された目的関数を最大化する最適3次元位置（x, y, z）を特定する。
• ユーザー初期位置から100メートル以内で移動させるシミュレーションを実施し、配置後も接続を維持するユーザーの割合を測定することで、頑健性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無線バックホール容量を50 Mbpsから150 Mbpsの範囲で変化させた場合、5G+ネットワークにおけるドローン-BSがサービス可能なユーザー数にどのような影響を与えるか？
• RQ2 バックホールおよびユーザー分布の制約下で、総サービス対象ユーザー数または合計スループットを最大化する最適3次元ドローン-BS配置は何か？
• RQ3 ユーザーが初期位置から100メートル以内で移動する場合、最適配置の性能はどの程度劣化するか？
• RQ4 限られたバックホール容量下で、ネットワーク中心とユーザー中心の最適化の間には、ユーザー数とスループットのトレードオフが生じるか？

主な発見

• サービス対象ユーザー数はバックホール容量が約150 Mbpsまで増加するが、その後は無線リソースの制限により増加しなくなる。
• ユーザー中心のアプローチでは、バックホール容量が増加するにつれて、低レートユーザーが高レートユーザーの後続で順次サービス対象に追加されるため、サービス対象ユーザー数の増加率が一定となる。
• ネットワーク中心のアプローチでは、バックホール容量が高くなるにつれて、サービス対象ユーザー数の増加率が低下する。これは、低レートユーザーが優先的に処理されるためである。
• ユーザーが初期位置から最大100メートル移動した場合、ネットワーク中心のアプローチでは2％未満、ユーザー中心のアプローチでは1％未満のユーザーがドロップした。
• 提案された3次元配置ソリューションは、中程度のユーザー移動に対しても頑健であり、頻繁なドローン再配置を低減し、エネルギー消費とフライト時間を節約できる。
• バックホール容量は、特に高レートユーザーにとって重要な制限要因であることが判明し、ドローン-BS展開設計にバックホール制約を統合する必要性が強調された。