[논문 리뷰] Joint Altitude and Beamwidth Optimization for UAV-Enabled Multiuser Communications

Haiyun He, Shuowen Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 07.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 12인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 UAV 통신을 위한 비행-정지-통신 프로토콜을 제안하며, 다운링크 멀티캐스팅(MC), 브로드캐스팅(BC), 업링크 다중접근(MAC)의 세 모델에서 통신 대역폭을 극대화하기 위해 고도와 방향성 안테나 빔폭을 공동 최적화한다. 주요 발견은 최적의 고도와 빔폭이 통신 모델에 따라 크게 달라지며, MC는 최대 고도와 중간 빔폭을 선호하고, BC는 최소 고도와 최소 빔폭이 필요하며, MAC는 고도에 영향을 받지 않지만 빔폭 최적화에 민감하다는 것이다.

ABSTRACT

In this letter, we study multiuser communication systems enabled by an unmanned aerial vehicle (UAV) that is equipped with a directional antenna of adjustable beamwidth. We propose a fly-hover-and-communicate protocol where the ground terminals (GTs) are partitioned into disjoint clusters that are sequentially served by the UAV as it hovers above the corresponding cluster centers. We jointly optimize the UAV's flying altitude and antenna beamwidth for throughput optimization in three fundamental multiuser communication models, namely UAV-enabled downlink multicasting (MC), downlink broadcasting (BC), and uplink multiple access (MAC). Our results show that the optimal UAV altitude and antenna beamwidth critically depend on the communication model considered.

연구 동기 및 목표

• 다중 사용자 UAV 통신에서 UAV 고도와 방향성 안테나 빔폭 간의 상충 관계를 해결하기 위해.
• 지상 단말을 클러스터로 분할하여 순차적으로 서비스를 제공하는 실용적인 비행-정지-통신 프로토콜을 설계하기 위해.
• 다운링크 MC, BC, 업링크 MAC의 세 기본 다중 사용자 모델에서 통신 대역폭 극대화를 위한 UAV 고도와 빔폭을 공동 최적화하기 위해.
• 통신 모델에 기반한 최적의 UAV 배치 및 빔폭 설정에 대한 설계 통찰을 제공하기 위해.
• 실제 시스템 파rameter 하에서 수치 결과를 통해 분석적 대역폭 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• UAV가 클러스터 중심 위에 정지해 있고, 상호 간섭이 없는 지상 단말 클러스터를 순차적으로 서비스하는 비행-정지-통신 프로토콜을 제안한다.
• UAV의 방향성 안테나를 조절 가능한 반파워 빔폭 $2\Theta$로 모델링하며, 수평 및 수직 빔폭이 동일하다고 가정한다.
• 고도 $H$와 빔폭 $Θ$에 따라 총 대역폭 $; R_{\mathrm{MC}}$, $; R_{\mathrm{BC}}$, $; R_{\mathrm{MAC}}$ 의 해석적 표현을 유도한다.
• 다운링크와 업링크 링크에 각각 자유공간 경로 손실 모델과 로그거리 경로 손실 모델을 적용한다.
• 다운링크 BC와 업링크 MAC에서 독립적인 데이터 전송을 지원하기 위해 주파수 분할 다중접근(FDMA)을 적용한다.
• 프로젝션된 지상 면적 $π H^2 \tan^2\Theta$ 에 기반해 클러스터당 서비스 가능한 지상 단말의 유효 수를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV 고도와 빔폭의 공동 최적화는 UAV 기반 다운링크 멀티캐스팅에서 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 독립적인 데이터 스트림을 지원하는 다운링크 브로드캐스팅에서 최적의 UAV 고도와 빔폭 설정은 무엇인가?
• RQ3 빔폭을 조절할 수 있을 때 UAV 고도는 업링크 다중접근 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 빔폭 조절은 업링크 MAC 성능에 상당한 영향을 미치는가? 만약 그렇다면, 그 방식은 무엇인가?
• RQ5 다양한 다중 사용자 통신 모델 간에 최적의 고도와 빔폭 설정은 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 다운링크 멀티캐스팅의 경우, 대역폭은 고도가 증가할수록 증가하며, 최적의 빔폭은 고도가 증가함에 따라 감소하여 고도가 무한대에 가까워질수록 최소값에 수렴한다.
• 다운링크 브로드캐스팅의 경우, 대역폭은 고도가 높아지고 빔폭이 넓어질수록 감소하므로 최적의 설정은 최소 고도와 최소 빔폭이다.
• 업링크 다중접근의 경우, 경로 손실과 서비스 가능한 단말 수의 상쇄 효과로 인해 대역폭은 UAV 고도에 영향을 받지 않지만, 빔폭에 민감하다.
• 업링크 MAC의 최적 빔폭은 약 $1.3195$ 라디안($79.73^\circ$)이며, 이 값은 다양한 지상 단말 밀도에서 안정적이다.
• 수치 결과는 분석 모델을 확인하며, 모든 세 통신 모델에서 시뮬레이션과 분석 대역폭 간의 근접한 일치를 보였다.
• 비행-정지-통신 프로토콜은 실용적 구현을 가능하게 하며, 각 통신 모델에 따라 다릅니다.