[論文レビュー] Unmanned Aerial Vehicle and Optimal Relay for Extending Coverage in Post-Disaster Scenarios

Abdu Saif, Kaharudin Dimyati+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2021

UAV Applications and Optimization参考文献 18被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、自然災害後の状況における無線カバレッジを拡張するために、UAVを活用したマルチホップリレーネットワークを提案する。リレーホップ距離とUAVの位置決めを最適化することで、システム容量と接続性を向上させる。結果から、リレーの高密度配置により、視線（LoS）の信頼性が向上する分散型デバイス・ツー・デバイス通信を可能にすることで、カバレッジ領域とエネルギー効率が向上することが示された。

ABSTRACT

The malfunction or interruption of wireless coverage services has been shown to increase the mortality rate during natural disasters. Wireless coverage by an unmanned aerial vehicle (UAV) provides network coverage to ground user devices during and post-disaster events. The relay hops receive wireless coverage and can be forwarded to user devices that are out of coverage allowing reliable connectivity for large-scale user devices. This work evaluates the optimal relay hops performance to improve wireless coverage services and establish connectivity in post-disaster scenarios. The results demonstrate the UAV line of sights understanding to select an optimal relay for improving wireless coverage services. The path loss probability and system capacity were all affected by the user device distance and relay densities. The optimal relay hop distance and the UAV positions static are also investigated to improve coverage likelihood which could be especially useful for UAV deployment design. It is found that the dense relays node in UAV systems enhances the capacity coverage area and energy efficiency by decentralized connectivity through a multihop device to device wireless network.

研究の動機と目的

• 自然災害時における無線ネットワークの遮断という深刻な問題に取り組むこと。これは死亡率の上昇を引き起こす。
• インfraストラクチャーが限られている、あるいは存在しない災害後の環境において、大規模な地上ユーザー端末の接続性を向上させること。
• UAVを用いた場合の最適なリレー・ホップが、無線カバレッジをどのように向上させるかを評価すること。
• カバレッジの可能性とシステム容量を最大化するための最適なリレー・ホップ距離とUAVの位置決めを特定すること。
• リレー密度とユーザー端末の距離がパスロス確率とネットワーク性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 本研究では、災害後状況におけるカバレッジ拡張を目的として、UAVベースのマルチホップデバイス・ツー・デバイスネットワークをモデル化する。
• 信号伝搬とカバレッジへの影響を評価するために、視線（LoS）モデルを用いる。
• パスロス確率をユーザー端末の距離とリレー密度の関数として分析する。
• さまざまなリレー・ホップ距離とUAV高度におけるシステム容量を評価する。
• カバレッジ範囲と信号の信頼性のトレードオフに基づいて、最適なリレー・ホップ距離を導出する。
• UAVの静的配置を最適化し、LoSリンクの確率を最大化し、パスロスを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAV支援の災害後ネットワークにおいて、カバレッジとシステム容量を最大化する最適なリレー・ホップ距離は何か？
• RQ2 ユーザー端末の距離はパスロス確率とネットワークの信頼性にどのように影響するか？
• RQ3 リレー密度は、UAVベースのマルチホップネットワークにおけるシステム容量とエネルギー効率にどのように影響するか？
• RQ4 どのUAV高度と位置決め戦略が視線リンクとカバレッジの可能性を最大限に高めるか？
• RQ5 分散型デバイス・ツー・デバイス接続は、災害後状況におけるネットワークのレジリエンスをどのように向上させるか？

主な発見

• リレーの高密度配置により、マルチホップデバイス・ツー・デバイス通信を可能にすることで、システム容量カバレッジ領域が著しく拡大される。
• 最適なリレー・ホップ距離は、範囲と信号品質のバランスを取ることで、システム容量を向上させ、パスロス確率を低減する。
• 地上ユーザーとの視線（LoS）を確保するUAVの位置決めにより、接続性の信頼性とカバレッジの可能性が向上する。
• リレー密度はシステム容量に直接的な影響を与え、高い密度は全体のネットワーク性能を向上させる。
• 単一ホップ伝送への依存を減らすことで、分散接続によりエネルギー効率が向上する。
• ユーザー端末の距離はパスロス確率の重要な要因であり、距離が長くなると信号品質とカバレッジが劣化する。