[論文レビュー] Uplink Coverage Performance of an Underlay Drone Cell for Temporary Events

Xiaohui Zhou, Jing Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、スタジアム上に展開されたアンダーレイ・ドローンセル（ABS）を用いた一時的イベント環境における上行リンクカバレッジ性能を評価するため、確率的幾何学に基づく解析的モデルを提案する。地上基地局（TBS）およびABSの両方の上行リンクカバレッジ確率について閉形式の式を導出しており、それらの性能のトレードオフを明らかにするとともに、85%以上のABSカバレッジ確率を達成しつつTBSのサービス品質（QoS）を90%以上に維持できる最適なABS高度（250–500 m）を同定している。

ABSTRACT

Using a drone as an aerial base station (ABS) to provide coverage to users on the ground is envisaged as a promising solution for beyond fifth generation (beyond-5G) wireless networks. While the literature to date has examined downlink cellular networks with ABSs, we consider an uplink cellular network with an ABS. Specifically, we analyze the use of an underlay ABS to provide coverage for a temporary event, such as a sporting event or a concert in a stadium. Using stochastic geometry, we derive the analytical expressions for the uplink coverage probability of the terrestrial base station (TBS) and the ABS. The results are expressed in terms of (i) the Laplace transforms of the interference power distribution at the TBS and the ABS and (ii) the distance distribution between the ABS and an independently and uniformly distributed (i.u.d.) ABS-supported user equipment and between the ABS and an i.u.d. TBS-supported user equipment. The accuracy of the analytical results is verified by Monte Carlo simulations. Our results show that varying the ABS height leads to a trade-off between the uplink coverage probability of the TBS and the ABS. In addition, assuming a quality of service of 90% at the TBS, an uplink coverage probability of the ABS of over 85% can be achieved, with the ABS deployed at or below its optimal height of typically between 250-500 m for the considered setup.

研究の動機と目的

• ドローン支援の一時的イベントネットワークにおける上行リンク性能に関する解析的研究の不足に対処すること。
• アンダーレイ・ドローンセル構成下における地上基地局（TBS）および空中基地局（ABS）の上行リンクカバレッジ性能をモデル化・定量すること。
• ABSの上行リンクカバレッジを最大化しつつTBSの許容可能なQoSを維持できる最適なABS高度を同定すること。
• 干渉分布および距離統計に依存するカバレッジ確率の解析的表現を提供すること。

提案手法

• 2セル構成（TBSおよびABSを有する）において、ユーザー機器（UE）の配置を二項点過程としてモデル化し、確率的幾何学的手法を用いる。
• 干渉電力分布のラプラス変換を用いて、TBSおよびABSの上行リンクカバレッジ確率の解析的表現を導出する。
• ABSとABS支援UE（AsUE）およびTBS支援UE（TsUE）との間の距離分布を、幾何確率および余弦定理を用いてモデル化する。
• ABS上行リンクにおけるレイノールドフェージングをガンマ分布でモデル化し、干渉解析にモーメント生成関数を適用する。
• 3次元距離を地面に投影した際のABSからUEまでの距離の同時確率密度関数を導出する。
• 実際の展開条件を想定した状況下で解析的結果の妥当性を検証するため、モンテカルロシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一時的イベント環境下において、ABSの高度がTBSおよびABS両方の上行リンクカバレッジ確率に与える影響は何か？
• RQ2 TBSの上行リンクとABSの上行リンクにおける干渉分布の違いは何か？ そして、これによりカバレッジ性能にどのような影響が生じるか？
• RQ3 ABSの上行リンクカバレッジを最大化しつつTBSの90%のサービス品質（QoS）を維持できる最適なABS展開高度は何か？
• RQ4 独立的かつ一様に分布するAsUEおよびTsUEとABSとの間の距離分布は、全体のカバレッジ性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 アンダーレイ・ドローンセルは、現実的なシステム制約のもとで、ABSの上行リンクカバレッジ確率を85%以上に達成できるか？

主な発見

• ABSの高度を高めることで、ABSの上行リンクカバレッジ確率は向上するが、TBSのカバレッジ性能は劣化する。これは性能のトレードオフを示している。
• 提示されたネットワーク構成下で、ABSの上行リンクカバレッジ確率を最大化する最適なABS高度が250 m～500 mの範囲に存在する。
• ABSをその最適高度以下に展開すれば、ABSの上行リンクカバレッジ確率を85%以上に達成しつつ、TBSのQoSを90%以上に維持できる。
• カバレッジ確率の解析的表現はモンテカルロシミュレーションにより検証され、導出されたモデルの高い正確性が確認された。
• カバレッジ確率の式は、干渉電力分布のラプラス変換およびABSとUEとの距離分布に明示的に依存している。
• 結果から、コンcertやスポーツイベントなどの一時的イベントにおいて、アンダーレイ・ドローンセルを用いた上行リンク容量の向上が実現可能であることが示された。