[論文レビュー] Blocking Probability and Spatial Throughput Characterization for Cellular-Enabled UAV Network with Directional Antenna

Jiangbin Lyu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 11被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、共信道干渉を低減し、空間スループットを向上させるために、セルラー接続型UAVネットワークにおける指向性アンテナ方式を提案する。UAVおよび基地局（BS）の位置を独立したポアソン点過程としてモデル化し、UAVの遮断確率のタイトな閉形式上界を導出し、空間スループットを特徴づける。UAVの高度とビーム幅を最適化することで、遮断を著しく低減し、ネットワーク性能を向上させることを示している。

ABSTRACT

The past few years have witnessed a tremendous increase on the use of unmanned aerial vehicles (UAVs) in civilian applications, which call for high-performance communication between UAVs and their ground clients, especially when they are densely deployed. To achieve this goal, cellular base stations (BSs) can be leveraged to provide a new and promising solution to support massive UAV communications simultaneously in a cost-effective way. However, different from terrestrial communication channels, UAV-to-BS channels are usually dominated by the light-of-sight (LoS) link, which aggravates the co-channel interference and renders the spatial frequency reuse in existing cellular networks ineffective. In this paper, we consider the use of a directional antenna at each UAV to confine the interference to/from other UAV users within a limited region and hence improve the spatial reuse of the spectrum. Under this model, a UAV user may be temporarily blocked from communication if it cannot find any BS in its antenna main-lobe, or it finds that all BSs under its main-lobe are simultaneously covered by those of some other UAVs and hence suffer from strong co-channel interference. Assuming independent homogeneous Poisson point processes (HPPPs) for the UAVs' and ground BSs' locations respectively, we first analytically derive a closed-form upper bound for the UAV blocking probability and then characterize the achievable average spatial throughput of the cellular-enabled UAV communication network, in terms of various key parameters including the BS/UAV densities as well as the UAV's flying altitude and antenna beamwidth. Simulation results verify that the derived bound is practically tight, and further show that adaptively adjusting the UAV altitude and/or beamwidth with different BS/UAV densities can significantly reduce the UAV blocking probability and hence improve the network spatial throughput.

研究の動機と目的

• Line-of-sight（LoS）リンクの増加に伴う干渉の増大という、高密度セルラー接続型UAVネットワークにおける共信道干渉の課題に対処すること。
• UAVに指向性アンテナを用いることで干渉を限定された領域に閉じ込め、周波数再利用効率を向上させること。
• 主ローブ内に利用可能なBSが存在しないこと、または他のUAVからの干渉によって引き起こされるUAV通信の遮断確率をモデル化し、定量すること。
• UAV/BS密度、高度、ビーム幅の変動に応じたUAVネットワークの平均空間スループットを特徴づけること。
• 遮断確率を最小化し、空間スループットを最大化するために、UAVの高度とビーム幅を最適化すること。

提案手法

• UAVおよび地上のBSの位置を独立したホモジニアス・ポアソン点過程（HPPP）としてモデル化する。
• 各UAVに固定ビーム幅の指向性アンテナを設け、そのビーム幅と高度によって定義される地上カバレッジ領域に限定して通信を行う。
• UAVのメインローブカバレッジ領域に排他的に利用可能なBSが存在しない確率に基づき、UAV遮断確率の閉形式上界を導出する。
• BS密度、UAV密度、高度、ビーム幅を用いて、実現可能な平均空間スループットを特徴づける。
• L ≥ 2の場合の重複するUAVカバレッジ領域におけるパラメータαₗおよびβₗの推定にモンテカルロシミュレーションを用いる。
• 広範なシミュレーションを通じて解析的境界の妥当性を検証し、遮断確率の上界と空間スループットの下界のタイトさを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVに指向性アンテナを用いることで、セルラー接続型UAVネットワークにおける遮断確率にどのような影響を与えるか？
• RQ2 UAVの高度とビーム幅は、遮断確率および空間スループットにどのような影響を及えるか？
• RQ3 BSおよびUAVの密度が、指向性ビームフォーミング下での実現可能な空間スループットに与える影響は何か？
• RQ4 ポアソン分布に従うUAVおよびBSネットワークにおけるUAV遮断確率について、閉形式の上界を導出可能か？
• RQ5 導出された空間スループットの下限境界は、シミュレーション結果と比較してどの程度タイトか？

主な発見

• シミュレーション結果により、UAV遮断確率の導出上界が、さまざまなUAVおよびBS密度において実用的にタイトであることが検証された。
• ネットワーク密度に応じてUAVの高度とビーム幅を動的に調整することで、遮断確率を著しく低減し、空間スループットを向上させることができる。
• ビーム幅が一定の点まで増加すると、空間スループットは単調に増加するが、その後、重複するUAVによる干渉が増加することで性能が低下するため、最適なビーム幅が存在することが示された。
• 固定されたUAV高度において、小さなビーム幅は指向性利得を高めるが、カバレッジ領域が狭いため遮断確率が上昇する。一方、大きなビーム幅は干渉リスクを増加させる。
• 提案された空間スループットの下限境界は、遮断確率がビーム幅の増加に伴い減少する領域において、シミュレーション結果と極めて近い一致を示した。
• L ≥ 2のUAVに対してαₗおよびβₗパラメータのモンテカルロ推定結果から、重複するUAV数が増加するにつれて非重複カバレッジ領域が減少し、遮断確率に影響を与えることが明らかになった。