[論文レビュー] Sum-Rate Analysis for High Altitude Platform (HAP) Drones with Tethered Balloon Relay

P. Sudheesh, Mohammad Mozaffari+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、送信機におけるチャネル状態情報（CSIT）が不要な高高度プラットフォーム（HAP）ドローンから地上局（GS）への通信において、最大の和スループットを達成するために、アンカーバルーンリレータのデコード・アンド・フォワード（DF）方式を用いた干渉整合（IA）方式を提案する。システムをM×N Xチャネルとしてモデル化し、閉形式の容量式を導出することで、特定のアンカーバルーン高度で最適な性能が達成され、高Rician fading環境下でも顕著な和スループット向上が得られることを示している。

ABSTRACT

High altitude platform (HAP) drones can provide broadband wireless connectivity to ground users in rural areas by establishing line-of-sight (LoS) links and exploiting effective beamforming techniques. However, at high altitudes, acquiring the channel state information (CSI) for HAPs, which is a key component to perform beamforming, is challenging. In this paper, by exploiting an interference alignment (IA) technique, a novel method for achieving the maximum sum-rate in HAP-based communications without CSI is proposed. In particular, to realize IA, a multiple-antenna tethered balloon is used as a relay between multiple HAP drones and ground stations (GSs). Here, a multiple-input multiple-output X network system is considered. The capacity of the considered M*N X network with a tethered balloon relay is derived in closed-form. Simulation results corroborate the theoretical findings and show that the proposed approach yields the maximum sum-rate in multiple HAPs-GSs communications in absence of CSI. The results also show the existence of an optimal balloon's altitude for which the sum-rate is maximized.

研究の動機と目的

• 高高度および移動性のため、送信機におけるチャネル状態情報（CSIT）が入手できない状況下でも、HAPドローンから地上局（GS）への通信における高いスペクトル効率を達成する課題に対処すること。
• 高いパスロスおよびチャネル相関を示す動的HAPシステムにおいて、従来のビームフォーミングおよび干渉管理手法の限界を克服すること。
• 複数アンテナを備えたアンカーバルーンを用いたリレータ支援型干渉整合方式を設計し、CSITが不要な状況下でも、自由度（DoF）および和スループットを最大化すること。
• Rician fading環境下におけるアンカーバルーンリレータを介したM×N Xチャネルの容量について、閉形式の式を導出すること。
• 現実的な伝搬条件下で、システムの和スループットを最大化するための最適アンカーバルーン高度を同定すること。

提案手法

• HAP-GS通信システムを、M台のHAPドローンがN台の地上局にリレータ経由で送信するM×N Xチャネルとしてモデル化する。
• アンカーバルーンでデコード・アンド・フォワード（DF）リレーポロコルを採用し、干渉整合を支援するため(M−1)×(N−1)本のアンテナを備える。
• Rician fading下でのHAPからリレータおよびリレータからGSへのリンクの和スループットを分析することで、システム容量の閉形式式を導出する。
• 干渉整合（IA）の原則を用いて、干渉を低次元部分空間に統合することで、CSITが不要な状況下でも空間多重性の利得を実現する。
• 送信パワー、距離、およびRician係数の影響を評価するため、パワー割り当ておよびパスロスモデルを適用する。
• さまざまなSNR、Rician係数、およびバルーン高度下でのシミュレーションを通じて、解析モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信機にCSITが不要な状況下でも、干渉整合がHAPドローンから地上局への通信に効果的に適用可能か？
• RQ2 M×N HAP-GS Xチャネルシステムにおいて、和スループットを最大にするためのアンカーバルーンの最適高度は何か？
• RQ3 HAP-リレータおよびリレータ-GSリンクにおけるRician fading係数（κᵤおよびκₗ）が、達成可能な和スループットおよびDoFに与える影響は何か？
• RQ4 Rician fadingおよびDFリレーリング下で、複数のHAPおよびGSを有するリレータ支援型HAPシステムの閉形式容量式は何か？
• RQ5 アンカーバルーンリレータを用いた場合、HAP数（M）および地上局数（N）が増加するに従い、システム性能はどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 提案されたDFリレータ支援型IA方式は、CSITが不要な状況下でも、HAP-GS通信において最大の和スループットを達成し、空間多重性を効果的に実現している。
• シミュレーション結果は解析的容量式の妥当性を確認しており、さまざまなSNRおよびRician係数の下で理論的およびシミュレーテッド和スループットが完全に一致している。
• 25 dB SNR下で、リレータ-GSリンクのRician係数を20 dBから15 dBに低下させた場合、和スループットが34.8%向上する。
• リレータ-GSリンクのRician係数が15 dBの場合、25 dB SNR下で非リレータケースに比べて和スループットが最大1.7倍に増加する。
• HAP-GS間距離が18 kmで、Rician係数がκᵤ=30 dBおよびκₗ=15 dBである場合、最大和スループットを達成するための最適アンカーバルーン高度は15.5 kmである。
• HAP-リレータおよびリレータ-GSリンクのRician係数がよりバランスが取れている場合（すなわちκᵤ ≈ κₗ）、最適リレータ高度はHAP-GSリンクの中点（dSD/2）に収束する。