[論文レビュー] Impact of UAV Antenna Configuration on Wireless Connectivity in Urban Environments

Boris Galkin, Jacek Kibiłda+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、確率的幾何学を用いて都市環境における無人航空機（UAV）のアンテナ構成が無線接続性に与える影響を分析し、専用地上局（GS）ネットワークと地上基地局（BS）ネットワークを比較している。ステアブルまたは指向性UAVアンテナは、特に高高度で、覆蓋確率を顕著に向上させ、高高度UAVには既存の移動通信インフラに依存するのではなく専用GSネットワークを採用する方が効果的であることを示している。

ABSTRACT

The growing presence of UAVs has led operators to explore the issue of how to provide wireless service to UAVs. The achieveable service quality will be affected by a number of factors, including the type of antenna that the UAVs are equipped with and whether to use existing cellular infrastructure or deploy dedicated ground stations to service these new user devices. In this paper we employ stochastic geometry to carry out an analysis of the UAV coverage probability that can be achieved with a network of dedicated ground stations using a sub-6GHz technology such as LTE under different deployment conditions, given different types of UAV antennas. We provide analytical expressions for the coverage probability; we also evaluate the performance of the GS network against the case where the UAVs are served by a typical terrestrial BS network.

研究の動機と目的

• 都市環境における無線接続性に与えるUAVアンテナ構成（全方向性、固定指向性、ステアブル指向性）の影響を分析すること。
• UAV接続性における専用地上局（GS）ネットワークと既存の地上基地局（BS）ネットワークの性能を比較すること。
• UAV-BS/GSリンクにおける知能的なビームフォーミングおよび最適化されたアンテナ指向性による覆蓋確率の向上を定量化すること。
• 専用GSネットワークの展開が必要となる条件、すなわち既存の移動通信インフラに依存する場合との比較を特定すること。

提案手法

• 地上局（GS）ネットワークを平面におけるホモジニアス・ポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、強度λを用いて地上局のランダム配置を表現する。
• 確率的幾何学を用いて、路損、シャドウイング、および他のGSからのインタフェレンスを考慮した覆蓋確率の解析的表現を導出する。
• UAVアンテナの3種類を検討する：全方向性（等方的放射）、固定指向性（ビーム幅ωの下向きチルト付きコーンビーム）、ステアブル指向性（電気的に送信先GSに向けてアライメントされる）。
• UAVとGS間の垂直角φ_i = arctan(Δγ / r_i)を導入し、視線（LoS）および非視線（NLoS）伝搬状態をモデル化する。
• UAVのビーム幅と指向性に基づいて、メイン lob 領域W内に存在する干渉源を特定することでインタフェレンスを評価する。
• 同じUAV高度および展開シナリオを用いて、下向きチルト付きアンテナを備えた地上基地局（BS）ネットワークのシミュレーションと結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVアンテナタイプ（全方向性、固定指向性、ステアブル指向性）の選択が、都市部UAVネットワークにおける達成可能な覆蓋確率にどのように影響を与えるか。
• RQ2 UAVが異なる高度で動作する場合、専用GSネットワークと地上BSネットワークの性能向上はどの程度か。
• RQ3 地上BSネットワークの性能が著しく低下し、専用GSネットワークの展開を正当化するに十分なUAV高度はどの程度か。
• RQ4 ステアブルUAVアンテナにおける知能的なビームアライメントが、固定または全方向性アンテナと比較して、干渉をどれほど軽減し、信号品質を向上させるか。
• RQ5 GS密度が覆蓋確率に与える影響は何か。また、異なるUAVアンテナ構成において、地上ネットワークを上回るための最小GS密度はどの程度か。

主な発見

• 専用GSネットワークは、特に高高度（例：100m以上）のUAVで顕著に高い覆蓋確率を達成しており、これは空中ユーザーと整合する上向きチルトのGSアンテナによるものである。
• 全方向性UAVアンテナでは、GSネットワークと地上ネットワークの両方とも高い干渉を受けるが、GSネットワークは視線の良好なアライメントと側 lob 受信の低減により、安定した性能を維持する。
• 固定指向性UAVアンテナ（下向きチルト）では、UAVが閾値高度（一般的に120m以上）を超えて運用される場合にのみ、GSネットワークが地上ネットワークを上回る。これは、ビームアライメントの向上と干渉の低減によるものである。
• ステアブル指向性UAVアンテナは、すべての高度で著しく性能を向上させ、特にUAVが送信先GSに向けてビームをアライメントできる場合、地上ネットワークを凌駆する高い覆蓋確率を実現する。
• GSネットワークは、GS密度を地上ネットワークのわずか一部に抑えることで、同等またはより優れた性能を達成しており、周波数的および空間的効率が非常に高いことが示された。
• 結果から、UAVアンテナ構成が専用インフラの必要性を決定づける重要な要因であることが明らかになった。高利得、指向性、またはステアブルアンテナは、新規GS展開の必要性を低減する。