[논문 리뷰] Downlink Coverage and Rate Analysis of an Aerial User in Integrated Aerial and Terrestrial Networks.

Nesrine Cherif, Mohamed Alzenad외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 24.

UAV Applications and Optimization인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 스토하스틱 기하학을 사용하여 통합 항공-지상 네트워크에서 항공 사용자에 대한 다운링크 커버리지 및 데이터 전송률 성능을 분석한다. 지상 기지국(terrestrial-BSs)을 2차원 포아송 점 프로세스로 모델링하고 항공 기지국(aerial-BSs)을 고정 고도에서의 3차원 이항 점 프로세스로 모델링하며, 항공-항공 링크에 대해 LOS를 가정하고 지상-항공 링크에 대해 단순화된 LOS 확률을 고려한다. 주요 발견은 항공 기지국에서의 지향성 빔포밍이 간섭을 감소시켜 성능을 크게 향상시킨다는 것이다.

ABSTRACT

In this paper, the downlink coverage probability and average achievable rate of an aerial user in a vertical HetNet (VHetNet) comprising aerial base stations (aerial-BSs) and terrestrial-BSs are analyzed. The locations of terrestrial-BSs are modeled as an infinite 2-D Poisson point process (PPP) while the locations of aerial-BSs are modeled as a finite 3-D Binomial point process (BPP) deployed at a particular height. We adopt cellular-to-air (C2A) channel model that incorporates LoS and NLoS transmissions between the terrestrial-BSs and the typical aerial user while we assume LoS transmissions for the air-toair (A2A) channels separating the aerial user and aerial-BSs. For tractability reasons, we simplify the expression of the LoS probability provided by the International Telecommunications Union using curve fitting. We assume that the aerial user is associated with the BS (either an aerial-BS or terrestrial-BS) that provides the strongest average received power. Using tools from stochastic geometry, we derive analytical expressions of the coverage probability and achievable rate in terms of the Laplace transform of interference power. To simplify the derived analytical expressions, we assume that the C2A links are in LoS conditions. Although this approximation gives pessimistic results compared to the exact performance, the analytical approximations are easier to evaluate and quantify well the performance at high heights of the aerial user. Our findings reveal that using directive beamforming for the aerial-BSs improves the downlink performance substantially since it alleviates the strong interference signals received from the aerial-BSs.

연구 동기 및 목표

• 항공 및 지상 기지국이 혼합된 이질적 네트워크에서 항공 사용자에 대한 다운링크 커버리지 확률과 실현 가능한 전송률을 평가하기 위해.
• 지상 기지국의 공간 분포를 2차원 포아송 점 프로세스로, 항공 기지국의 공간 분포를 고정 고도에서의 3차원 이항 점 프로세스로 모델링하기 위해.
• 가장 강한 평균 수신 전력 기반의 신호 연결 규칙을 적용하고, LOS 및 NLoS 전파 모델을 통합하여 성능을 분석하기 위해.
• 성능 분석의 해석 가능성 확보를 위해 곡선 피팅을 활용해 LOS 확률 표현을 단순화하기 위해.
• 항공 기지국에서의 지향성 빔포밍이 간섭 완화 및 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 공간 랜덤성과 해석 가능성 확보를 위해 지상 기지국 위치를 2차원에서 균일한 포아송 점 프로세스로 모델링한다.
• 통제된 배치를 표현하기 위해 고정 고도에서의 유한한 3차원 이항 점 프로세스로 항공 기지국 위치를 모델링한다.
• 지상 기지국과 항공 사용자 간의 LOS 및 NLoS 전파를 모두 고려한 셀룰러-투-에어(C2A) 채널 모델을 사용한다.
• 단순화를 위해 항공 사용자와 항공 기지국 간의 모든 항공-항공(A2A) 링크가 LOS 조건에 있다고 가정한다.
• ITU에서 권장하는 LOS 확률 모델에 곡선 피팅을 적용하여 분석의 해석 가능성을 확보한다.
• 간섭 전력의 라플라스 변환을 사용하여 커버리지 확률 및 실현 가능한 전송률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항공 및 지상 기지국이 혼합된 이질적 네트워크에서 항공 사용자에 대한 다운링크 커버리지 확률은 얼마인가?
• RQ2 기지국 밀도 및 고도와 같은 네트워크 파라미터가 증가함에 따라 항공 사용자에서의 평균 실현 가능한 전송률은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 항공-항공 링크에서 LOS 전용 전송을 가정하는 것이 성능 분석의 정확성과 해석 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 항공 기지국에서의 지향성 빔포밍이 간섭을 줄임으로써 커버리지 및 전송률을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 가장 강한 평균 수신 전력 기반의 신호 연결 규칙이 혼합 항공-지상 환경에서 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 항공 기지국에서의 지향성 빔포밍을 적용하면 다른 항공 기지국으로부터 오는 간섭을 억제함으로써 다운링크 커버리지 및 실현 가능한 전송률이 크게 향상된다.
• 모든 C2A 링크에 대해 LOS 조건을 가정하면 고도가 높을수록 비관적인 결과를 도출하지만 해석 가능성이 높은 성능 한계를 제공한다.
• 간섭 전력의 라플라스 변환을 활용해 커버리지 확률 및 전송률에 대한 유도된 해석식은 효율적인 수치 계산을 가능하게 한다.
• 유한한 3차원 이항 점 프로세스 모델은 고정 고도에서 밀도가 제어된 현실적인 항공 기지국 배치 모델링을 가능하게 한다.
• 성능 분석 결과 항공 기지국은 특히 빔포밍이 적용된 경우 고고도에서 커버리지 향상에 크게 기여한다.
• 곡선 피팅을 기반으로 단순화된 LOS 확률 모델은 고고도 환경에서 상당한 정확도 손실 없이 실용적인 계산을 가능하게 한다.