[논문 리뷰] Performance Analysis for Practical Unmanned Aerial Vehicle Networks with LoS/NLoS Transmissions

Chang Liu, Ming Ding외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 03.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 실용적인 드론 무인 항공기(UAV) 네트워크에서 높은 고도, 낮은 고도, 초저고도의 세 가지 경로 손실 모델을 사용하여 LOS/NLOS 전송 조건 하에서 성능을 분석한다. 3D 포아송 분포를 가진 드론-기지국(UAV-BSs)을 대상으로 복수성 확률 및 면적 스펙트럼 효율성(ASE)의 수식을 유도하며, 50m 고도에서 고고도 및 저고도 모델이 거의 동일한 성능을 보이며, 초저고도 모델은 크게 다름을 보여주며, 최적의 드론 밀도가 복수성 확률과 ASE를 최대화함을 밝힌다.

ABSTRACT

In this paper, we provide a performance analysis for practical unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled networks. By considering both line-of-sight (LoS) and non-line-of-sight (NLoS) transmissions between aerial base stations (BSs) and ground users, the coverage probability and the area spectral efficiency (ASE) are derived. Considering that there is no consensus on the path loss model for studying UAVs in the literature, in this paper, three path loss models, i.e., high-altitude model, low-altitude model and ultra-low-altitude model, are investigated and compared. Moreover, the lower bound of the network performance is obtained assuming that UAVs are hovering randomly according to homogeneous Poisson point process (HPPP), while the upper bound is derived assuming that UAVs can instantaneously move to the positions directly overhead ground users. From our analytical and simulation results for a practical UAV height of 50 meters, we find that the network performance of the high-altitude model and the low-altitude model exhibit similar trends, while that of the ultra-low-altitude model deviates significantly from the above two models. In addition, the optimal density of UAVs to maximize the coverage probability performance has also been investigated.

연구 동기 및 목표

• 실용적인 고도(50m~100m)에서 드론 네트워크에 적합한 다양한 경로 손실 모델—고고도, 저고도, 초저고도—의 타당성을 평가하기 위해.
• LOS/NLOS 전송 조건 하에서 3D 드론 네트워크의 복수성 확률 및 면적 스펙트럼 효율성(ASE)에 대한 분석 수식을 유도하기 위해.
• 드론을 동질적 포아송 점 프로세스(HPPP)로 모델링하여 성능 한계를 설정하고, 드론이 즉시 사용자 위로 이동하는 이상적인 텔레포테이션 모델과 비교하기 위해.
• 실용적인 드론 배치에서 복수성 확률과 ASE를 최대화하는 최적의 드론 밀도를 규명하기 위해.

제안 방법

• 고도 h(예: 50m)를 고정하여, 밀도 λ인 3D 포아송 점 프로세스(3D-PPP)로 드론-기지국(UAV-BSs)을 모델링하고 성능 분석을 수행한다.
• 세 가지 경로 손실 모델을 적용: 고고도 모델(고도각에 의존하는 LOS/NLOS), 저고도 모델(3GPP 매크로셀 모델, 약 32m), 초저고도 모델(3GPP 피코셀 모델, 약 10m).
• 스토케스틱 기하학과 라플라스 변환을 사용하여 LOS 및 NLOS 링크의 확률 밀도 함수의 닫힌 형태 수식을 유도한다.
• 간섭 공급원으로부터의 간섭 전력의 라플라스 변환을 고려하여 거리 분포를 통합하고, 복수성 확률과 ASE를 계산한다.
• 무작위 HPPP로 분포된 드론을 사용한 하한 경계와 드론이 사용자 위로 즉시 재배치되는 텔레포테이션 모델을 사용한 상한 경계를 설정한다.
• 수치 적분과 시뮬레이션을 사용하여 다양한 모델 간 성능를 비교하고 분석 결과의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실용적인 드론 고도 50m에서 고고도, 저고도, 초저고도 경로 손실 모델 간 네트워크 성능를 어떻게 비교할 수 있는가?
• RQ2 드론 이동성은 네트워크 성능에 어떤 영향을 미치며, 다양한 드론 밀도에서 ASE의 상한과 하한은 어떻게 다를까?
• RQ3 3D 드론 네트워크에서 LOS/NLOS 전파 조건 하에서 복수성 확률과 ASE를 최대화하는 최적의 드론 밀도는 무엇인가?
• RQ4 드론이 50m 고도에서 비행할 경우, 3GPP 지상 경로 손실 모델(저고도 모델)이 드론 네트워크에 여전히 유효한가?
• RQ5 실용적인 드론 고도에서 초저고도 모델의 성능는 고고도 및 저고도 모델과 어떻게 다를까?

주요 결과

• 드론 고도 50m에서 고고도 및 저고도 경로 손실 모델이 거의 동일한 복수성 확률과 ASE 성능를 보이며, 이는 3GPP 지상 모델이 이 고도에서 드론에 적용 가능함을 시사한다.
• 초저고도 모델(예: 10m)은 다른 두 모델과 비교해 뚜렷이 다른 성능 추세를 보이며, 특히 밀도가 높은 네트워크에서 그러한 경향이 두드러져 실용적인 드론 배치에 덜 적합함을 시사한다.
• 드론 고도 50m일 때 복수성 확률을 최대화하는 최적의 드론 밀도는 약 6 UAV-BSs/km²이며, 이는 고고도 및 저고도 모델 모두에서 관찰된다.
• ASE는 드론 밀도 증가 초반에는 선형적으로 증가하지만, 높은 밀도에서는 성장 속도가 둔화되어 특정 지점 이후 수익 감소 현상이 나타남을 시사한다.
• 낮은 드론 밀도(예: 10 BSs/km² 이하)에서 하한 경계(무작위 HPPP 드론)와 상한 경계(텔레포터링 드론) 간 성능 격차가 가장 크며, 이는 이동성 최적화 잠재력이 크다는 것을 시사한다.
• 고밀도 드론 배치(예: 100 BSs/km²)에서는 드론 이동성에 의한 ASE 향상이 미미해지며, 이는 고밀도 배치에서 네트워크 성능가 포화 상태에 도달함을 시사한다.