[논문 리뷰] Base Station Antenna Uptilt Optimization for Cellular-Connected Drone Corridors

Sung Joon Maeng, Md Moin Uddin Chowdhury외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 02.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 인접한 기지국과 지향성 안테나를 갖춘 2차원 모델을 사용하여 셀룰러 연결 드론 통로에서 장애 확률을 최소화하기 위해 기지국 안테나의 업틸트 각도를 최적화하는 방법을 제안한다. 주요 발견은 비례 범위와 통로 높이를 균형 있게 조절함으로써 SINR 장애를 최소화하는 최적의 업틸트 각도를 도출하는 것으로, 전체 빔이 간섭 없이 통로를 커버할 때 성능이 최고조에 이른다(사례 5).

ABSTRACT

The concept of drone corridors is recently getting more attention to enable connected, safe, and secure flight zones in the national airspace. To support beyond visual line of sight (BVLOS) operations of aerial vehicles in a drone corridor, cellular base stations (BSs) serve as a convenient infrastructure, since such BSs are widely deployed to provide seamless wireless coverage. However, antennas in the existing cellular networks are down-tilted to optimally serve their ground users, which results in coverage holes if they are also used to serve drones. In this letter, we consider the use of additional uptilted antennas at cellular BSs and optimize the uptilt angle to minimize outage probability for a given drone corridor. Our numerical results show how the beamwidth and the maximum drone corridor height affect the optimal value of the antenna uptilt angle.

연구 동기 및 목표

• 지상 사용자를 위한 내리기 경향이 있는 기지국 안테나로 인해 드론을 지원할 때 발생하는 커버리지 홀 문제를 해결한다.
• 추가적인 업틸트된 안테나를 사용하여 지정된 통로에서 드론의 신뢰할 수 있는 시각 외 비행(BVLOS) 연결을 가능하게 한다.
• 빔 폭과 드론 통로의 최대 높이가 최적의 업틸트 각도 선택에 미치는 영향을 분석한다.
• 시스템 성능 평가를 위해 SINR 장애 확률과 평균 SINR에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 업틸트 각도와 빔 폭에 따라 다섯 가지의 구분된 커버리지 사례를 식별하며, 사례 5는 이상적인 빔 정렬을 나타낸다.

제안 방법

• 두 개의 인접한 기지국이 지향성 업틸트 안테나를 사용하여 2차원 드론 통로를 서비스하는 모델을 수립한다.
• 드론의 수평(dx) 및 수직(hx) 방향 분포를 밀도 함수로 기술한다.
• 빔 정렬과 인접 기지국으로부터의 간섭을 기반으로 한 분석적 표현식을 사용하여 SINR 장애 확률을 유도한다.
• 업틸트 각도, 빔 폭, 통로 높이에 따라 평균 SINR을 함수로 표현하며, 다섯 가지 커버리지 사례 각각에 대해 폐쇄형 해를 도출한다.
• 장애 확률과 통로 면적 전체에 걸친 평균 SINR을 계산하기 위해 PDF 변환 및 적분 기법을 적용한다.
• 실제 파rameter(예: 3 GHz, 100 MHz 대역폭, 30 dBm 송신 전력)를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SINR 장애 확률을 최소화하기 위해 최적의 안테나 업틸트 각도가 빔 폭과 드론 통로 최대 높이에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ2 업틸트 각도와 빔 폭의 다양한 조합으로 인해 발생하는 다섯 가지의 구분된 커버리지 시나리오는 무엇인가?
• RQ3 평균 SINR이 최대가 되는 커버리지 사례는 어느 것이며, 이 사례를 정의하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 인접 기지국으로부터의 간섭은 다양한 업틸트 각도에서 SINR 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 장애 확률과 평균 SINR 측면에서 빔 폭과 성능 사이의 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• SINR 장애 확률은 업틸트 각도에 대해 볼록 함수이므로, 1차 도함수 방법을 통해 전역 최적화가 가능하다.
• 최대 드론 통로 높이가 증가할수록 최적의 업틸트 각도가 감소하며, 극단적인 기울기 값에서는 성능이 악화된다.
• 넓은 빔 폭은 장애 확률을 감소시키지만, 빔이 통로를 완전히 커버할 경우 좁은 빔 폭이 평균 SINR을 향상시킨다.
• 최대 평균 SINR은 사례 5에서 도달되며, 이 경우 전체 빔 폭(α에서 α+β까지)이 간섭 없이 드론 통로 내부에 완전히 포함된다.
• 최대 통로 높이 300 m와 빔 폭 50° 조건에서 최적의 업틸트 각도는 장애 확률을 최소화하며, 빔 폭이 증가할수록 성능이 향상된다.
• 최대 통로 높이가 낮을수록(예: 200 m 대비 500 m) 모든 빔 폭에서 장애 확률과 평균 SINR이 크게 향상된다.