[論文レビュー] Base Station Antenna Uptilt Optimization for Cellular-Connected Drone Corridors

Sung Joon Maeng, Md Moin Uddin Chowdhury+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2021

UAV Applications and Optimization参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、2台の隣接する基地局と指向性アンテナを備えた2次元モデルを用いて、セルラー接続ドローンの走廊におけるアウトージ確率を最小化するため、基地局アンテナの上向き傾き角度を最適化することを提案している。主な発見は、ビーム幅と走廊の高さのバランスを取ることでSINRアウトージ確率を最小化する最適な上向き傾き角度が得られ、ビーム全体が干渉なく走廊に完全にカバーされる場合（ケース5）に性能が最大になることである。

ABSTRACT

The concept of drone corridors is recently getting more attention to enable connected, safe, and secure flight zones in the national airspace. To support beyond visual line of sight (BVLOS) operations of aerial vehicles in a drone corridor, cellular base stations (BSs) serve as a convenient infrastructure, since such BSs are widely deployed to provide seamless wireless coverage. However, antennas in the existing cellular networks are down-tilted to optimally serve their ground users, which results in coverage holes if they are also used to serve drones. In this letter, we consider the use of additional uptilted antennas at cellular BSs and optimize the uptilt angle to minimize outage probability for a given drone corridor. Our numerical results show how the beamwidth and the maximum drone corridor height affect the optimal value of the antenna uptilt angle.

研究の動機と目的

• 地上ユーザーを想定して下方に傾けられた基地局アンテナのため、ドローンをサービスする際のカバレッジホールの課題に対処すること。
• 追加の上向き傾きアンテナを用いて、指定された走廊内で信頼性の高い視認外飛行（BVLOS）接続を実現すること。
• ビーム幅とドローンの最大走廊高さが最適な上向き傾き角度選定に与える影響を分析すること。
• SINRアウトージ確率と平均SINRの閉形式式を導出することで、システム性能を評価すること。
• 上向き傾き角度とビーム幅の異なる組み合わせに基づき、5つの異なるカバレッジケースを特定し、ケース5が理想的なビーム整合状態を表すこと。

提案手法

• 2台の隣接する基地局が指向性で上向き傾きしたアンテナを備えた2次元のドローンの走廊をモデル化する。
• ドローンの水平方向（dx）および垂直方向（hx）における分布を確率密度関数（PDF）で記述する。
• ビーム整合状態と隣接基地局からの干渉に基づく解析的表現を用いて、SINRアウトージ確率を導出する。
• 上向き傾き角度、ビーム幅、および走廊高さを変数とする平均SINRを定式化し、5つのカバレッジケースそれぞれについて閉形式解を得る。
• アウトージ確率および平均SINRを走廊面積全体にわたり計算するために、PDF変換および統合技術を適用する。
• 実際のパラメータ（例：3 GHz、100 MHz帯域幅、30 dBm送信出力）を用いたモンテカルロシミュレーションにより、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 SINRアウトージ確率を最小化するため、最適なアンテナ上向き傾き角度はビーム幅と最大ドローン走廊高さにどのように依存するか？
• RQ2 上向き傾き角度とビーム幅の異なる組み合わせによって生じる5つの異なるカバレッジシナリオは何か？
• RQ3 平均SINRが最大になるカバレッジケースはどれであり、その条件は何か？
• RQ4 隣接基地局からの干渉は、異なる上向き傾き角度におけるSINR性能にどのように影響するか？
• RQ5 アウトージ確率と平均SINRの観点から、ビーム幅と性能の間にはどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• SINRアウトージ確率は上向き傾き角度の凸関数であるため、1階微分法によるグローバル最適化が可能である。
• 最大ドローン走廊高さが増加するにつれて最適な上向き傾き角度は減少するが、極端な傾き値では性能が劣化する。
• 広いビーム幅はアウトージ確率を低減するが、ビームが走廊を完全にカバーする場合、狭いビーム幅は平均SINRを向上させる。
• 最大平均SINRは、ビーム全体（αからα+βまで）が干渉なくドローンの走廊内に完全に収まるケース5で達成される。
• 最大走廊高さが300 mでビーム幅が50°の場合、最適な上向き傾き角度がアウトージ確率を最小化し、ビーム幅が広くなるほど性能が向上する。
• 最大走廊高さが200 m（500 mと比較して）の場合、ビーム幅にかかわらず、アウトージ確率および平均SINRが顕著に改善される。