[논문 리뷰] Blocking Probability and Spatial Throughput Characterization for Cellular-Enabled UAV Network with Directional Antenna

Jiangbin Lyu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 28.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 11인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 셀룰러 기반 네트워크에서 드론 무인 항공기(UAV)를 위한 방향성 안테나 기법을 제안하여 동일 대역 간 간섭을 줄이고 공간적 총수용량을 향상시킨다. UAV와 기지국(BS)의 위치를 독립적인 포아송 점 프로세스로 모델링하여 UAV 차단 확률에 대한 날카운 방식의 상한선을 유도하고, 공간적 총수용량을 특성화하여 UAV 고도와 빔폭 최적화가 차단을 크게 줄이고 네트워크 성능을 향상시킴을 보여준다.

ABSTRACT

The past few years have witnessed a tremendous increase on the use of unmanned aerial vehicles (UAVs) in civilian applications, which call for high-performance communication between UAVs and their ground clients, especially when they are densely deployed. To achieve this goal, cellular base stations (BSs) can be leveraged to provide a new and promising solution to support massive UAV communications simultaneously in a cost-effective way. However, different from terrestrial communication channels, UAV-to-BS channels are usually dominated by the light-of-sight (LoS) link, which aggravates the co-channel interference and renders the spatial frequency reuse in existing cellular networks ineffective. In this paper, we consider the use of a directional antenna at each UAV to confine the interference to/from other UAV users within a limited region and hence improve the spatial reuse of the spectrum. Under this model, a UAV user may be temporarily blocked from communication if it cannot find any BS in its antenna main-lobe, or it finds that all BSs under its main-lobe are simultaneously covered by those of some other UAVs and hence suffer from strong co-channel interference. Assuming independent homogeneous Poisson point processes (HPPPs) for the UAVs' and ground BSs' locations respectively, we first analytically derive a closed-form upper bound for the UAV blocking probability and then characterize the achievable average spatial throughput of the cellular-enabled UAV communication network, in terms of various key parameters including the BS/UAV densities as well as the UAV's flying altitude and antenna beamwidth. Simulation results verify that the derived bound is practically tight, and further show that adaptively adjusting the UAV altitude and/or beamwidth with different BS/UAV densities can significantly reduce the UAV blocking probability and hence improve the network spatial throughput.

연구 동기 및 목표

• 로우 레이지(LoS) 링크 증가로 인해 간섭이 증가하는 고밀도 셀룰러 기반 UAV 네트워크에서 동일 대역 간 간섭 문제를 해결하기 위해.
• UAV에 방향성 안테나를 사용하여 간섭을 제한된 영역으로 압축함으로써 공간 주파수 재사용을 향상시키기 위해.
• 주 빔 내에 이용 가능한 BS가 없거나 다른 UAV로부터의 간섭으로 인해 발생하는 UAV 통신 차단 확률을 모델링하고 정량화하기 위해.
• UAV/BS 밀도, 고도, 빔폭 변화에 따라 UAV 네트워크의 평균 공간적 총수용량을 특성화하기 위해.
• 차단 확률를 최소화하고 공간적 총수용량을 최대화하기 위해 UAV 고도와 빔폭을 최적화하기 위해.

제안 방법

• UAV와 지상 기지국(BS) 위치를 독립적인 동질적 포아송 점 프로세스(HPPPs)로 모델링한다.
• 각 UAV에 고정된 빔폭을 가진 방향성 안테나를 사용하여 UAV의 주 빔 각도와 고도에 의해 정의된 지상 커버리지 영역으로 통신을 제한한다.
• UAV의 주 빔 커버리지 영역 내에 전용 BS가 존재하지 않을 확률에 기반하여 UAV 차단 확률에 대한 닫힌 형식의 상한선을 유도한다.
• BS 밀도, UAV 밀도, 고도, 빔폭을 고려하여 도달 가능한 평균 공간적 총수용량을 특성화한다.
• L ≥ 2일 때 겹치는 UAV 커버리지 영역에 대한 매개변수 αₗ 및 βₗ을 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 추정한다.
• 광범위한 시뮬레이션을 통해 분석적 상한선을 검증하여, 차단 확률 상한선과 공간적 총수용량 하한선이 둘 다 매우 날카롭게 유지됨을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV에 방향성 안테나를 사용할 경우 셀룰러 기반 UAV 네트워크에서 차단 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 UAV 고도와 빔폭은 차단 확률과 공간적 총수용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 BS 및 UAV 밀도는 방향성 빔포밍 하에서 도달 가능한 공간적 총수용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 포아송 분포를 따르는 UAV 및 BS 네트워크에서 UAV 차단 확률에 대해 닫힌 형식의 상한선을 도출할 수 있는가?
• RQ5 유도된 공간적 총수용량 하한선은 시뮬레이션 결과와 비교해 볼 때 얼마나 날카로운가?

주요 결과

• 다양한 UAV 및 BS 밀도에서의 시뮬레이션 결과를 통해 도출된 UAV 차단 확률 상한선은 실질적으로 날카롭게 유지됨을 확인하였다.
• 네트워크 밀도에 따라 UAV 고도와 빔폭을 적응적으로 조정하면 차단 확률이 크게 감소하고 공간적 총수용량이 향상됨을 확인하였다.
• 빔폭이 일정 수준까지 증가함에 따라 공간적 총수용량은 단조적으로 증가하지만, 이후 겹치는 UAV들 간의 간섭 증가로 성능 저하가 발생하므로 최적의 빔폭이 존재함을 시사한다.
• 고정된 UAV 고도에서 빔폭이 작아지면 직접성 증가 이득이 증가하지만 커버리지 영역이 작아져 차단 확률이 증가하고, 반대로 빔폭이 커지면 간섭 위험이 증가함을 확인하였다.
• 제안된 공간적 총수용량 하한선은 특히 빔폭 증가에 따라 차단 확률이 감소하는 영역에서 시뮬레이션 결과와 매우 유사한 결과를 보였다.
• L ≥ 2인 UAV에 대해 αₗ 및 βₗ 매개변수의 몬테카를로 추정 결과, 겹치는 UAV 수가 증가할수록 겹치지 않는 커버리지 영역이 감소함을 확인하여 이는 차단 확률에 영향을 미침을 시사한다.