[論文レビュー] Downlink Coverage and Rate Analysis of an Aerial User in Integrated Aerial and Terrestrial Networks.

Nesrine Cherif, Mohamed Alzenad+2 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

UAV Applications and Optimization被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、確率的幾何学を用いて、統合空中・地上ネットワークにおける空中ユーザーの下り行きカバレッジおよびレート性能を分析している。地上基地局（BS）を2次元のポアソン点過程としてモデル化し、空中BSを固定高度における3次元の二項点過程としてモデル化している。空中リンクはLine-of-Sight（LoS）を仮定し、基地局から空中へのリンクについては簡略化されたLoS確率を仮定している。主な発見は、空中BSにおける指向性ビームフォーミングが干渉を低減することで、性能を顕著に向上させることである。

ABSTRACT

In this paper, the downlink coverage probability and average achievable rate of an aerial user in a vertical HetNet (VHetNet) comprising aerial base stations (aerial-BSs) and terrestrial-BSs are analyzed. The locations of terrestrial-BSs are modeled as an infinite 2-D Poisson point process (PPP) while the locations of aerial-BSs are modeled as a finite 3-D Binomial point process (BPP) deployed at a particular height. We adopt cellular-to-air (C2A) channel model that incorporates LoS and NLoS transmissions between the terrestrial-BSs and the typical aerial user while we assume LoS transmissions for the air-toair (A2A) channels separating the aerial user and aerial-BSs. For tractability reasons, we simplify the expression of the LoS probability provided by the International Telecommunications Union using curve fitting. We assume that the aerial user is associated with the BS (either an aerial-BS or terrestrial-BS) that provides the strongest average received power. Using tools from stochastic geometry, we derive analytical expressions of the coverage probability and achievable rate in terms of the Laplace transform of interference power. To simplify the derived analytical expressions, we assume that the C2A links are in LoS conditions. Although this approximation gives pessimistic results compared to the exact performance, the analytical approximations are easier to evaluate and quantify well the performance at high heights of the aerial user. Our findings reveal that using directive beamforming for the aerial-BSs improves the downlink performance substantially since it alleviates the strong interference signals received from the aerial-BSs.

研究の動機と目的

• 空中および地上基地局を統合した異種ネットワークにおける空中ユーザーの下り行きカバレッジ確率および実現可能なレートを評価すること。
• 地上BSの空間的分布を2次元のホモジニアス・ポアソン点過程としてモデル化し、空中BSの空間的分布を固定高度における3次元の二項点過程としてモデル化すること。
• 平均受信電力が最大である基地局に接続する信号関連ルールに基づき、LoSおよびNLoS伝搬モデルを組み込んだ性能分析を行うこと。
• 性能解析における取り扱いやすさを高めるために、LoS確率の式を曲線フィッティングを用いて簡略化すること。
• 空中BSにおける指向性ビームフォーミングが干渉低減およびシステム性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 空間的ランダム性と取り扱いやすさを確保するため、地上BSの位置を2次元におけるホモジニアス・ポアソン点過程としてモデル化する。
• 制御された展開を表現するため、固定高度における有限な3次元の二項点過程として空中BSの位置をモデル化する。
• 地上基地局と空中ユーザー間のLoSおよびNLoS伝搬を考慮した、基地局から空中への（C2A）チャネルモデルを用いる。
• 簡略化のため、空中ユーザーと空中BS間のすべての空中リンク（A2A）をLoS状態にあると仮定する。
• ITUTが推奨するLoS確率モデルを曲線フィッティングにより処理し、解析的な取り扱いやすさを確保する。
• 干渉電力のラプラス変換を用いて、カバレッジ確率および実現可能なレートの閉形式表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空中および地上基地局から構成される異種ネットワークによってサービスを受ける空中ユーザーの下り行きカバレッジ確率は何か？
• RQ2 基地局密度や高度といったネットワークパラメータが、空中ユーザーにおける平均実現可能なレートにどのように影響するか？
• RQ3 空中リンクのすべてがLoSと仮定することの性能解析における正確性と取り扱いやすさへの影響は何か？
• RQ4 空中BSにおける指向性ビームフォーミングが、干渉を低減させることでカバレッジおよびレートをどの程度向上させるか？
• RQ5 平均受信電力が最大である基地局に接続する信号関連ルールが、混合空中・地上環境下でのシステム性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 空中BSにおける指向性ビームフォーミングの適用により、他の空中BSからの干渉を低減することで、下り行きカバレッジおよび実現可能なレートが顕著に向上する。
• すべてのC2AリンクがLoSと仮定しても、高高度においては保守的だが解析的に取り扱いやすい性能上限が得られる。
• 干渉電力のラプラス変換を用いることで、カバレッジ確率およびレートの導出された解析的表現が簡略化され、効率的な数値評価が可能になる。
• 有限な3次元の二項点過程モデルにより、固定高度における制御された密度を持つ空中BSの現実的な展開モデルが可能になる。
• 性能解析の結果、指向性ビームフォーミングを用いることで、特に高高度において空中BSがカバレッジを顕著に向上させることを示している。
• 曲線フィッティングに基づく簡略化されたLoS確率モデルにより、高高度シナリオにおいても顕著な精度損失を伴わずに実用的な計算が可能になる。