[논문 리뷰] Impact of UAV Antenna Configuration on Wireless Connectivity in Urban Environments

Boris Galkin, Jacek Kibiłda외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 29.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 우수한 무선 연결성을 확보하기 위해 무인 항공기(UAV) 안테나 구성이 도시 환경에 미치는 영향을 확률적 기하학을 사용하여 분석하며, 전용 지상국(GS) 네트워크와 지상 기반 기지국(BS) 네트워크를 비교한다. 결과적으로 기울일 수 있는 또는 방향성 있는 UAV 안테나는 특히 높은 고도에서 커버리지 확률을 크게 향상시키며, 고고도 UAV의 경우 기존 이동통신 인프라에 의존하는 것보다 전용 GS 네트워크가 훨씬 효과적임을 보여준다.

ABSTRACT

The growing presence of UAVs has led operators to explore the issue of how to provide wireless service to UAVs. The achieveable service quality will be affected by a number of factors, including the type of antenna that the UAVs are equipped with and whether to use existing cellular infrastructure or deploy dedicated ground stations to service these new user devices. In this paper we employ stochastic geometry to carry out an analysis of the UAV coverage probability that can be achieved with a network of dedicated ground stations using a sub-6GHz technology such as LTE under different deployment conditions, given different types of UAV antennas. We provide analytical expressions for the coverage probability; we also evaluate the performance of the GS network against the case where the UAVs are served by a typical terrestrial BS network.

연구 동기 및 목표

• 도시 환경에서 무인 항공기(UAV) 안테나 구성—옹방향, 고정 방향성, 기울일 수 있는 방향성—이 무선 연결성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• UAV 연결성에 있어 전용 지상국(GS) 네트워크와 기존 지상 기반 기지국(BS) 네트워크의 성능을 비교하기 위해.
• UAV-BS/GS 링크에서 지능형 빔포밍과 최적화된 안테나 방향성으로 인한 커버리지 확률 향상을 정량화하기 위해.
• 전용 GS 배치가 필요할지 기존 이동통신 인프라에 의존할지 결정하는 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 지상국(GS) 네트워크를 평면상의 동질적 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링하며, 강도 λ를 통해 지상국의 무작위 배치를 표현한다.
• 확률적 기하학을 사용하여 경로 손실, 샤딩, 기타 GS들로부터의 간섭을 고려한 커버리지 확률에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 세 가지 UAV 안테나 유형을 고려한다: 옹방향(등방성 복사), 고정 방향성(빔폭 ω를 가진 아래로 기울인 콘 빔), 기울일 수 있는 방향성(전자적으로 서비스 중인 GS를 향해 정렬).
• UAV와 GS 사이의 수직 각도 φ_i = arctan(Δγ / r_i)를 고려하여 선로 장애(LoS) 및 비선로 장애(NLoS) 전파 조건을 모델링한다.
• UAV의 빔폭과 방향성에 의해 정의된 메인 로브 영역 W 내의 간섭원을 식별하여 간섭을 평가한다.
• 동일한 UAV 고도와 배치 시나리오를 사용하여, 기울여진 안테나를 갖춘 지상 기반 기지국(BS) 네트워크의 시뮬레이션과 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 옹방향, 고정 방향성, 기울일 수 있는 방향성의 UAV 안테나 유형 선택이 도시 UAV 네트워크에서 달성 가능한 커버리지 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 UAV가 다양한 고도에서 운영될 때, 전용 GS 네트워크가 지상 기반 BS 네트워크보다 성능에서 얼마나 우월한가?
• RQ3 지상 기반 BS 네트워크의 성능이 충분히 열악해져 전용 GS 네트워크를 구축할 필요가 있는가에 대한 UAV 고도는 어느 정도인가?
• RQ4 기울일 수 있는 UAV 안테나의 지능형 빔 정렬이 고정 또는 옹방향 안테나에 비해 간섭을 얼마나 줄이고 신호 품질을 향상시키는가?
• RQ5 GS 밀도는 커버리지 확률에 어떤 영향을 미치며, 다양한 UAV 안테나 구성에 대해 지상 기반 네트워크를 능가하기 위해 필요한 최소 GS 밀도는 얼마인가?

주요 결과

• 전용 GS 네트워크는 특히 높은 UAV 고도(예: 100m 이상)에서 지상 기반 BS 네트워크보다 훨씬 높은 커버리지 확률을 달성한다. 이는 공중 사용자와 일치하는 상향 기울인 GS 안테나 덕분이다.
• 옹방향 UAV 안테나를 사용할 경우, GS 및 지상 기반 네트워크 모두 높은 간섭을 겪지만, GS 네트워크는 선로 장애 정렬이 우수하고 측면 빔 수신이 감소하여 안정된 성능을 유지한다.
• 고정 방향성 UAV 안테나(아래로 기울인 경우)의 경우, UAV가 일반적으로 120m 이상의 임계 고도를 초과해 운영될 때만 GS 네트워크가 지상 기반 네트워크를 능가한다. 이는 향상된 빔 정렬과 간섭 감소 덕분이다.
• 기울일 수 있는 방향성 UAV 안테나는 모든 고도에서 성능을 크게 향상시키며, 특히 UAV가 서비스 중인 GS를 향해 빔을 정렬할 수 있을 경우 지상 기반 네트워크를 능가하는 높은 커버리지 확률을 달성한다.
• GS 밀도를 지상 기반 네트워크의 일부에 불과한 수준으로 낮춰도 GS 네트워크는 지상 기반 네트워크와 비교해 유사하거나 더 우수한 성능을 보이며, 이는 스펙트럼 및 공간 효율성이 매우 높음을 시사한다.
• 결과는 UAV 안테나 구성이 전용 인프라가 필요한지 여부를 결정하는 데 핵심적인 요소임을 입증하며, 고이득, 방향성 또는 기울일 수 있는 안테나는 신규 GS 배치의 필요성을 감소시킨다.