[論文レビュー] Modeling Ground-to-Air Path Loss for Millimeter Wave UAV Networks

Hazim Shakhatreh, Waed Malkawi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2021

UAV Applications and Optimization参考文献 23被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、28 GHzおよび73 GHzで動作するミリ波（mmWave）UAVネットワークにおける地上局から航空機（GTA）への通信のための新しい数学的パスロスモデルを提案する。このモデルは、スラム、都市、高密度都市、高層ビルの4つの都市環境で検証されており、距離に依存するパスロスと環境固有のフィッティングパラメータを用いて、視線ライン（LOS）と視線非ライン（NLOS）リンクを区別する。これにより、多様な伝搬環境下でのUAVベースの無線システムにおける信号減衰予測が高精度で可能となる。

ABSTRACT

Path loss is a significant component of wireless communication channel design and analysis and reflects the reduction in a transmitted signal's power density. Due to the differences in the propagation conditions, wireless aerial channels' features differ from those of terrestrial wireless channels; therefore, unmanned aerial vehicle path loss models are often different from conventional terrestrial wireless channel path loss models. A mathematical propagation model is proposed in this paper to estimate the Ground-to-Air path loss between a wireless device and a low-altitude platform using the frequency bands of the millimeter wave. The suggested model of Ground-to-Air path loss will assist academic researchers in formulating several vital problems.

研究の動機と目的

• UAVネットワークにおける上行リンクの地上局から航空機へのmmWave通信のための正確なパスロスモデルの不足に対処すること。
• 多様な都市環境下でのミリ波周波数（28 GHzおよび73 GHz）におけるパスロスを推定できる数学的伝搬モデルを開発すること。
• 環境固有のフィッティングパラメータを用いて、LOSおよびNLOS伝搬状態の両方を考慮すること。
• スループットやSINR最適化といったUAVネットワーク設計における重要な問題の定式化を支援すること。
• 将来的な人間の遮蔽および広帯域mmWave帯域の統合を想定したGTAチャネルモデリングの基盤を構築すること。

提案手法

• 本モデルは、UAVから地上局へのリンクに適応した二波長地面反射パスロスモデルを用い、距離に依存するパスロスを採用：PL = α + 10β log10(d) + ζ。
• パラメータα（基準距離におけるパスロス）、β（パスロス指数）、ζ（対数距離シャドウイング）は、各環境および周波数帯域ごとにシミュレーションデータにフィットさせる。
• UAVと地上端末間の視認性に基づいてLOSとNLOSリンクを区別し、LOSは直接視線、NLOSは遮蔽された状態を定義する。
• LOSの確率は遮蔽モデルでモデル化され、PL(r_i, h_D) = exp(−λ g_B (r_i (h_B − h_R)/(h_D − h_R))) と表される。ここでλは人間の遮蔽体密度、g_Bは人体の直径を表す。
• 平均パスロスは、PL_a,i = PL(r_i, h_D) × PL_L,i + (1 − PL(r_i, h_D)) × PL_N,i として計算され、LOSおよびNLOSパスロスが組み合わされる。
• シミュレーションは、ビクトリア（オーストラリア：スラム）、パリ（フランス：都市）、ムンバイ（インド：高密度都市）、ニューヨーク（米国：高層ビル）の4つの実際の都市環境で実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上局から航空機へのmmWave UAVリンクにおいて、距離および高度に応じてパスロスはどのように変化するか？（異なる都市環境において。）
• RQ2 28 GHzおよび73 GHzのスラム、都市、高密度都市、高層ビル都市環境において、LOSおよびNLOS状態の最適なパスロスモデルパラメータ（α、β、σ）は何か？
• RQ3 人間の遮蔽の存在は、mmWave UAVネットワークにおけるLOSの確率および全体のパスロスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 提案モデルは、従来の地上系パスロスモデルと比較して、UAVシナリオにおける信号予測の正確性をどの程度向上させるか？
• RQ5 建物の密度および高さといった環境要因は、mmWave UAV通信におけるパスロスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 28 GHzでは、スラム環境におけるNLOSパスロスパラメータαは113.63 dBであり、高層ビルでは66.25 dBに増加し、密集した都市環境でのパスロスが高くなることを示している。
• 73 GHzでは、高層ビル環境におけるNLOSβ指数が2.22に達し、スラム地域の1.43よりも顕著に高い。これは、遮蔽環境下で距離に伴うパスロスの増加が著しいことを示している。
• 73 GHzにおけるLOSパスロスは、スラム地域で93.63 dB、高密度都市で85.71 dBであり、遮蔽の少ない地域でのLOS状態がより有利であることが示された。
• シャドウイングの標準偏差（σ）は、高層ビル環境で最大となり、73 GHzで6.61 dBに達し、多径および遮蔽効果による信号の変動が大きいことを示している。
• 本モデルは、すべての環境および周波数帯域で、推定値とシミュレーション値との間に強い線形適合を示す散乱プロットを提供し、パスロス予測の高精度を達成している。
• 人間の遮蔽確率の組み込みにより、特に人通りの多い高密度都市および高層ビル環境において、モデルの現実性が著しく向上しており、NLOSの発生確率が上昇することが明確に反映されている。