[論文レビュー] Uplink Performance Analysis of a Drone Cell in a Random Field of Ground Interferers

Mohammad Mahdi Azari, Fernando E. Rosas+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2017

UAV Applications and Optimization被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ドローンセルにおける上行リンク性能を、地上の妨害源をポアソン点過程としてモデル化することで分析しており、指向性アンテナ特性、高さ依存のシャドウフェイディング、環境別LoS確率を考慮している。高高度ではLoSリンクの利点が得られるが、同時に干渉への感受性も増大する。しかし、最適なドローン高度とSIRしきい値を設定することで、特に干渉レベルが低い都市部のような密集した環境において、覆蔽確率と伝送レートを最大化できることが示された。

ABSTRACT

Aerial base stations are a promising technology to increase the capabilities of the existing communication networks. However, the existing analytical frameworks do not sufficiently characterize the impact of ground interferers on the aerial base stations. In order to address this issue, we model the effect of interference coming from the coexisting ground networks on the aerial link, which could be the uplink of an aerial cell served by a drone base station. By considering a Poisson field of ground interferers, we characterize the aggregate interference experienced by the drone. This result includes the effect of the drone antenna pattern, the height-dependent shadowing, and various types of environment. We show that the benefits that a drone obtains from a better line-of-sight (LoS) at high altitudes is counteracted by a high vulnerability to the interference coming from the ground. However, by deriving the link coverage probability and transmission rate we show that a drone base station is still a promising technology if the overall system is properly dimensioned according to the given density and transmission power of the interferers. Particularly, our results illustrate how the benefits of such network is maximized by defining the optimal drone altitude and signal-to- interference (SIR) requirement.

研究の動機と目的

• ランダムな地上妨害源からの集合干渉をドローン上行リンク通信において特徴付けること。
• 指向性アンテナパターン、高さ依存のシャドウフェイディング、環境別LoS確率の影響が干渉およびリンク品質に与える影響をモデル化すること。
• 現実的な干渉および伝搬条件の下で、覆蔽確率および伝送レートの式を導出すること。
• 干渉にかかわらずネットワーク性能を最大化する最適なドローン高度とSIRしきい値を特定すること。

提案手法

• 地上の妨害源を密度λのホモジニアスなポアソン点過程（PPP）としてモデル化する。
• ドローン基地局に指向性アンテナパターンを導入し、干渉に及ぼすビームフォーミング効果を捉える。
• 環境依存のLoS確率とシャドウフェイディングを組み込み、経路損失モデルは高度角および環境タイプに応じて変化させる。
• 確率的幾何学的手法とモーメント生成関数を用いて、集合干渉の平均および分散を導出する。
• 干渉のラプラス変換を用いて覆蔽確率および伝送レートを計算する。
• 数値的にシステムパラメータ（高度、SIRしきい値）を最適化し、性能指標を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダムな地上妨害源群からの集合干渉は、ドローンセルにおける上行リンク性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ドローン高度は、LoS利得と干渉露出のトレードオフにどのように影響を与えるか？
• RQ3 環境別伝搬モデル（例：都市部対ハイライズ都市部）は干渉および覆蔽にどのように影響を与えるか？
• RQ4 覆蔽確率および伝送レートを最大化する最適なドローン高度は何か？
• RQ5 SIRしきい値は、覆蔽とスペクトル効率のトレードオフにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 覆蔽確率は、経路損失の増加とLoS確率の向上のバランスが取れた最適なドローン高度で最大値を示し、距離rが短いほど最適高度が高くなる。
• 密集した都市部（ハイライズ都市部）では、同じLoS確率であっても干渉レベルが低いため、農村部よりも高高度での覆蔽が優れている。
• 伝送レートは、覆蔽確率を最大化するSIRしきい値Tよりも低い値で最大値を示す。これは、レートとSIRの対数的トレードオフによるものである。
• 集合干渉はその平均値でよく近似可能であり、精度を著しく損なわずに性能解析を簡略化できる。
• 妨害源の送信電力PIが低いほど、達成可能な最大伝送レートが向上するが、PIが高くなると最適レートが低下する。
• 特に高い障害物が多数存在する環境では、LoS確率が高くかつ干渉が最小限となる高さでドローンが動作することで、最適なシステム性能が達成される。