[논문 리뷰] Channel Model in Urban Environment for Unmanned Aerial Vehicle Communications

Zhi Yang, Lai Zhou외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 11.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 13인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 베이징 청화대학교 캠퍼스에서 2.4 GHz 대역폭 측정을 바탕으로 도시 내 무인 항공기(UAV) 통신을 위한 간소화된 Saleh-Valenzuela(SV) 채널 모델을 제안한다. 두 도시 환경—사무실 빌딩과 잔디 잔디밭—에서 경로 손실, K-팩터, RMS 시간 지연 스프레드를 특성화하며, 시선 간 직선(LOS) 지배성과 산산이 흩날리는 산란의 차이가 채널 행동에 크게 영향을 준다는 것을 입증한다. 특히 잔디밭에서는 다중 경로 전파가 증가함에 따라 더 높은 K-팩터와 지연 스프레드가 관측된다.

ABSTRACT

In order to develop and analyze reliable communications links for unmanned aerial vehicles (UAVs), accurate models for the propagation channel are required. The radio channel properties in the urban scenario are different from those in the suburb scenario and open area due to so many scattering paths from office buildings, especially when the UAV flies in the low altitude. We took some measurement campaigns on the campus of Tsinghua University with crowded apartments and office buildings. Based on the measurement result we extract the main parameters of pathloss model, and propose a simplified Saleh-Valenzuela (SV) model with specific parameters. The typical scene of central lawn is compared with the office buildings in the analysis of K-factor and root-mean-square (RMS) delay spread.

연구 동기 및 목표

• 건물과 구조물에서 발생하는 복잡한 산란으로 인해 링크 신뢰성이 떨어지는 도시 환경에서 UAV 통신을 위한 정확한 채널 모델을 개발하기 위해.
• 밀도가 높은 도시 지역에서 저고도 UAV 채널에 대한 실측 데이터가 부족한 점을 보완하기 위해, 농촌이나 근교 지역과 비교하여.
• 실제 측정을 통해 사무실 빌딩과 잔디밭이라는 두 가지 유형의 도시 환경에서 대규모 경로 손실 및 소규모 fading 파rameter(즉, K-팩터, RMS 지연 스프레드)를 추출하기 위해.
• 시스템 수준 시뮬레이션 및 UAV 통신의 성능 평가에 사용할 수 있도록 校정된 파rameter를 갖춘 간소화된 Saleh-Valenzuela(SV) 모델을 제안하기 위해.
• 측정된 통계적 파rameter를 이용해 도시 환경에서 UAV 시스템의 완전한 채널 인가 응답(CIR)을 정확하게 재구성할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 소프트웨어 정의 무선(Y320) 플랫폼을 사용하여 UAV와 지상 수신기(고도 센서 및 GPS 포함)를 이용해 2.4 GHz 대역폭 20 MHz에서 광대역 채널 측정 캠프인을 수행하였다.
• UAV는 5–80 m 고도에서 비행하면서 사무실 빌딩 주변(약 20 m 높이)과 개방된 잔디밭에서 채널 인가 응답(CIR)을 측정하였으며, 수신기는 1 m 높이로 고정되었다.
• 다중 경로 성분(MPC)의 파라미터(전력, 지연, 도착 각도)를 추정하기 위해 하위공간 교대 일반 기대 최대화(SAGE) 알고리즘을 적용하였다.
• 측정된 데이터를 간소화된 Saleh-Valenzuela(SV) 모델에 적합시켜 K-팩터, 전력 감쇠 시간, 도착 빈도, 그리고 전구 및 후구 성분의 빔 수를 포함한 핵심 파라미터를 추정하였다.
• 가중 평균 및 분산 공식을 사용해 두 환경에서의 K-팩터와 RMS 지연 스프레드를 계산하고 비교하여 소규모 fading 및 지연 스프레드 특성을 정량화하였다.
• K-팩터 및 RMS 지연 스프레드에 대해 정규 분포를 피팅하였으며, 로그우도 비교 결과 정규 분포가 정확도 측면에서 로그정규 분포보다 우수하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도시 UAV 채널에서 경로 손실 지수와 그림자 편향은 농촌 또는 근교 환경과 비교해 어떻게 달라지나?
• RQ2 고층 빌딩과 녹지 공간이 있는 도시 UAV 채널에서 지배적인 전파 특성(예: LOS 지배성, 다중 경로 빈도)은 무엇인가?
• RQ3 밀집된 사무실 빌딩 환경과 개방된 잔디밭 환경 간 K-팩터와 RMS 지연 스프레드는 어떻게 다를까?
• RQ4 측정된 파라미터를 이용해 간소화된 Saleh-Valenzuela(SV) 모델이 도시 환경에서 UAV 채널의 통계적 행동을 정확하게 표현할 수 있는가?
• RQ5 일반적인 도시 환경에서 UAV-지상 및 UAV-UAV 링크의 주요 대규모 및 소규모 채널 파라미터(예: 경로 손실, K-팩터, 지연 스프레드)는 무엇인가?

주요 결과

• 사무실 빌딩 환경에서는 경로 손실 지수 2.24, 잔디밭 환경에서는 2.05를 나타내어, 밀집된 도시 지역에서 약간 더 강한 경로 손실이 있음을 시사한다.
• 잔디밭 환경에서는 평균 6.15 dB로 K-팩터가 사무실 빌딩 환경(평균 2.20 dB)보다 뚜렷이 높아, 개방된 지역에서 더 강한 LOS 지배성이 있음을 나타낸다.
• 잔디밭 환경에서는 평균 159.97 ns로 RMS 지연 스프레드가 사무실 빌딩 환경(평균 149.50 ns)보다 더 크며, 나무 및 지형으로 인한 더 넓은 전파 범위와 산란이 원인이다.
• 정규 분포는 로그정규 분포보다 더 우수한 피팅을 보였으며, 사무실 빌딩 케이스에서 로그우도 값은 정규 분포(-521) 대비 로그정규 분포(-558)로 더 우수하다.
• 간소화된 SV 모델은 校정된 파라미터(전구 및 후구 빔 수, 전력 감쇠 시간, 도착 빈도 포함)를 사용해 완전한 채널 인가 응답(CIR)을 성공적으로 재구성하였다.
• 모델 파라미터는 환경 간에 뚜렷한 차이를 보이며, 예를 들어 전구 K-팩터는 사무실 빌딩에서 8.1 dB, 잔디밭에서 11.4 dB로, 개방 지역에서 더 강한 LOS 성분을 반영한다.