[論文レビュー] Statistical Modeling of the FSO Fronthaul Channel for UAV-based Networks

Marzieh Najafi, Hedieh Ajam+4 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2019

Optical Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、風や大気の影響による動的かつ変動する位置・姿勢の揺らぎと非直交ビーム入射を考慮した、UAVベースの自由空間光（FSO）フロントホールリンクの新しい統計的チャネルモデルを提案する。異なる天候条件下での幾何的損失およびミスアライメント損失をモデル化することで、中止確率およびエルゴディックレートの式を導出しており、与えられた揺らぎ分散のもとで中止確率を最小化するためのビーム幅最適化が可能であることを示している。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the statistics of free space optics (FSO) communication channel between a hovering unmanned aerial vehicle (UAV) and a central unit (CU). Two unique characteristics make UAV-based FSO systems significantly different from conventional FSO systems with immobile transceivers. First, for UAV-based FSO systems, the incident laser beam is not always orthogonal to the photo detector (PD) plane. Second, both position and orientation of the UAV fluctuate over time due to dynamic wind load, inherent random air fluctuations in the atmosphere around the UAV, and internal vibrations of the UAV. On the contrary, for conventional FSO systems, the laser beam is always perpendicular to the PD plane and the relative movement of the transceivers is limited. In this paper, we develop a novel channel model for UAV-based FSO systems by quantifying the corresponding geometric and misalignment losses (GML), while taking into account the non-orthogonality of the laser beam and the random fluctuations of the position and orientation of the UAV. In particular, for diverse weather conditions, we propose different fluctuation models for the position and orientation of the UAV and derive corresponding statistical models for the GML. We further analyze the performance of a UAV-based FSO link in terms of outage probability and ergodic rate and simplify the resulting analytical expressions for the high signal-to-noise ratio (SNR) regime. Finally, simulations validate the accuracy of the presented analysis and provide important insights for system design. For instance, we show that for a given variance of fluctuations, the beam width can be optimized to minimize the outage probability.

研究の動機と目的

• UAVベースのFSOシステムに特有の動的特性のため、正確な統計的チャネルモデルが不足している問題に対処する。
• 非直交レーザー入射および時間変動するUAVの位置・姿勢を考慮した、UAV-FSOシステムにおける幾何的損失およびミスアライメント損失（GML）をモデル化する。
• UAVの位置および姿勢の天候依存的揺らぎを考慮し、チャネルモデルの現実性を向上させる。
• 高SNR条件下での中止確率およびエルゴディックレートという観点から、システム性能を分析する。
• 与えられた揺らぎ分散のもとで中止確率を最小化する最適ビーム幅を特定することで、設計インサイトを提供する。

提案手法

• レーザービームと受像素子面の間の入射角に基づき、GMLを定量化する幾何モデルを開発する。
• 例えば晴天、霧、雨天などの異なる天候条件下で、UAVの位置および姿勢の揺らぎを別々にモデル化する。
• UAVの位置および姿勢の揺らぎを表す確率変数を統合することで、GMLの統計的分布を導出する。
• 導出されたGML統計に基づき、中止確率およびエルゴディックレートの式を定式化し、高SNR領域における簡略化を施す。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析結果の妥当性を検証し、さまざまな天候条件下でのモデル精度を評価する。
• 固定された揺らぎ分散のもとで、中止確率を最小化するようにビーム幅を数値的に最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非直交ビーム入射は、UAVベースのFSOシステムにおける幾何的損失およびミスアライメント損失にどのように影響するか？
• RQ2 さまざまな大気条件下におけるUAVの位置および姿勢の揺らぎの統計的特性は何か？
• RQ3 これらの揺らぎは、UAV-FSOフロントホールリンクの中止確率およびエルゴディックレートにどのように影響するか？
• RQ4 与えられた揺らぎ制約のもとで、ビーム幅を最適化して中止確率を最小化できるか？
• RQ5 高SNR領域において、中止確率およびエルゴディックレートの解析的式の精度はどの程度か？

主な発見

• 提案されたチャネルモデルは、異なる天候条件下で非直交ビーム入射と動的UAV揺らぎの組合せ効果を正確に捉えている。
• UAVの位置および姿勢の揺らぎの分散が高くなるほど中止確率は上昇するが、最適なビーム幅選択によって緩和可能である。
• 高SNR領域において、エルゴディックレートの式は明確に簡略化され、効率的な性能評価が可能になる。
• シミュレーションにより、導出された中止確率およびエルゴディックレートの解析的式の正確性が確認された。
• 固定された揺らぎ分散のもとで、中止確率を最小化する最適なビーム幅が存在し、これは重要な設計のトレードオフを示している。
• 天候条件は、揺らぎの統計的挙動に顕著な影響を及ぼすため、正確なシステム設計のためには天候別にモデル化する必要がある。