[논문 리뷰] Backhaul-aware Robust 3D Drone Placement in 5G+ Wireless Networks

Elham Kalantari, Muhammad Zeeshan Shakir외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 27.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 9인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 5G+ 네트워크에서 드론 기지국(drone-BS)의 백홀 인식 3차원 배치 알고리즘을 제안하며, 무선 백홀 대역폭 제약 조건 하에서 총 서비스 유저 수(네트워크 중심) 또는 합성율(사용자 중심)을 최적화한다. 주요 기여는 사용자 이동성에 비해 최적의 3차원 배치가 여전히 강건함을 입증한 것으로, 이동 거리 100미터 이내에서도 사용자 2% 미만이 연결 끊김을 겪는다.

ABSTRACT

Using drones as flying base stations is a promising approach to enhance the network coverage and area capacity by moving supply towards demand when required. However deployment of such base stations can face some restrictions that need to be considered. One of the limitations in drone base stations (drone-BSs) deployment is the availability of reliable wireless backhaul link. This paper investigates how different types of wireless backhaul offering various data rates would affect the number of served users. Two approaches, namely, network-centric and user-centric, are introduced and the optimal 3D backhaul-aware placement of a drone-BS is found for each approach. To this end, the total number of served users and sum-rates are maximized in the network-centric and user-centric frameworks, respectively. Moreover, as it is preferred to decrease drone-BS movements to save more on battery and increase flight time and to reduce the channel variations, the robustness of the network is examined as how sensitive it is with respect to the users displacements.

연구 동기 및 목표

• 드론-BS 배치 시 무선 백홀 제약 조건을 고려하지 않은 점이 데이터 전송 속도와 사용자 용량을 심각하게 제한할 수 있음을 해결한다.
• 다양한 무선 백홀 최대 전송 속도(예: FSO, mmWave, RF)를 고려한 3차원 배치 알고리즘을 개발하여 핵심 설계 제약 조건으로 삼는다.
• 백홀 및 사용자 분포 제약 조건 하에서 총 서비스 유저 수(네트워크 중심) 또는 서비스 유저의 합성율(사용자 중심)을 최대화한다.
• 최적의 배치 솔루션의 사용자 이동성에 대한 강건성을 평가하여 불필요한 드론 재배치 및 에너지 소비를 줄인다.

제안 방법

• 드론의 고도 및 수평 좌표를 백홀 대역폭 제약 조건 하에서 최적화하는 3차원 드론-BS 배치 문제를 수립한다.
• 네트워크 중심(총 서비스 유저 수 최대화)과 사용자 중심(서비스 유저의 합성율 최대화)이라는 두 가지 별도의 최적화 프레임워크를 모델링한다.
• FSO 및 RF 기반 백홀을 포함한 현실적인 무선 백홀 모델을 통합하여 가변적인 최대 전송 속도와 기상에 의한 품질 저하를 고려한다.
• 수치 최적화를 통해 백홀 및 사용자 분포 제약 조건 하에서 선택된 목적 함수를 최대화하는 최적의 3차원 위치 (x, y, z)를 결정한다.
• 100m 이내로 사용자 이동을 시뮬레이션하여 배치 후 연결 유지된 사용자 비율을 측정함으로써 강건성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무선 백홀 대역폭이 50 Mbps에서 150 Mbps로 변화할 경우, 5G+ 네트워크에서 드론-BS가 서비스할 수 있는 사용자 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 백홀 및 사용자 분포 제약 조건 하에서 총 서비스 유저 수 또는 합성율을 최대화하는 드론-BS의 최적 3차원 배치는 무엇인가?
• RQ3 사용자가 초기 위치에서 100m 이내로 이동할 경우, 최적의 배치 성능은 어떻게 저하되는가?
• RQ4 제한된 백홀 대역폭 조건 하에서 네트워크 중심 및 사용자 중심 최적화 간의 사용자 수 및 합성율 간 상호 교환 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 서비스 유저 수는 백홀 대역폭이 약 150 Mbps까지 증가함에 따라 증가하지만, 이후에는 무선 자원 제약으로 인해 더 이상 증가하지 않는다.
• 사용자 중심 접근 방식에서는 백홀 대역폭 증가에 따라 고속 사용자에 이어 저속 사용자부터 순차적으로 서비스되므로, 서비스 유저 수가 일정 비율로 증가한다.
• 네트워크 중심 접근 방식에서는 저속 사용자를 우선순위로 배치하므로, 백홀 대역폭 증가에 따라 서비스 유저 수 증가율이 점점 감소한다.
• 사용자가 초기 위치에서 100미터 이내로 이동할 경우, 네트워크 중심 접근 방식에서는 2% 미만, 사용자 중심 접근 방식에서는 1% 미만의 사용자만 연결 끊김을 겪는다.
• 제안된 3차원 배치 솔루션은 중간 수준의 사용자 이동성에 대해 강건하여 빈번한 드론 재배치가 필요로 하지 않으며, 결과적으로 에너지 소비와 비행 시간을 절감한다.
• 백홀 대역폭은 특히 고속 사용자에 대해 결정적인 제약 요소이며, 드론-BS 배치 설계에 백홀 제약 조건을 통합할 필요성을 강조한다.