[논문 리뷰] Providing Wireless Coverage to High-rise Buildings Using UAVs

Hazim Shakhatreh, Abdallah Khreishah외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 27.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 8인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 재난 상황에서 고층 건물 내부 사용자에게 무선 커버리지 제공을 위해 단일 드론(UAV)을 활용하는 것을 제안하며, 실용적인 실외-실내 경로 손실 모델을 사용해 UAV의 최적 위치를 설정한다. 비볼록 전송 전력 최소화 문제를 수립하고, 대칭적 사용자 분포 및 최대 경로 손실 제약 조건 하에서 커버리지 최대화를 위한 효율적인 해법을 그래디언트 강하를 통해 제시한다.

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) can be used as aerial wireless base stations when cellular networks go down. Prior studies on UAV-based wireless coverage typically consider an Air-to-Ground path loss model, which assumes that the users are outdoor and they are located on a 2D plane. In this paper, we propose using a single UAV to provide wireless coverage for indoor users inside a high-rise building under disaster situations (such as earthquakes or floods), when cellular networks are down. First, we present a realistic Outdoor-Indoor path loss model and describe the tradeoff introduced by this model. Then, we study the problem of efficient UAV placement, where the objective is to minimize the total transmit power required to cover the entire high-rise building. The formulated problem is non-convex and is generally difficult to solve. To that end, we consider two cases of practical interest and provide the efficient solutions to the formulated problem under these cases. In the first case, we aim to find the minimum transmit power such that an indoor user with the maximum path loss can be covered. In the second case, we assume that the locations of indoor users are symmetric across the dimensions of each floor.

연구 동기 및 목표

• 재난 상황에서 고층 건물 내부 사용자에 대한 드론 기반 무선 커버리지 솔루션의 부족을 보완하기 위해.
• 3차원 사용자 위치와 건물 투과 손실을 고려해 실질적인 신호 전파를 모델링하기 위해 ITU가 인증한 실외-실내 경로 손실 모델을 사용하기 위해.
• 비볼록 제약 조건 하에서 전체 건물 커버리지에 필요한 총 전송 전력을 최소화하는 UAV 위치 설정 문제를 수립하기 위해.
• 두 가지 실용적 케이스에 대한 효율적인 해법 제공: 최대 경로 손실 커버리지 및 대칭적 사용자 분포.
• 그래디언트 강하와 입자 군집 최적화를 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 접근 방식의 타당성 검증하기 위해.

제안 방법

• ITU가 인증한 실외-실내 경로 손실 모델을 도입하여 자유공간 손실, 건물 투과 손실, 실내 전파 손실을 통합한다.
• UAV의 3차원 위치와 사용자 위치를 고려해 총 경로 손실을 정의하며, 거리, 입사각, 수평 실내 거리를 포함한다.
• 전체 전송 전력을 최소화하는 UAV의 수평 위치(x_UAV)를 반복적으로 최적화하기 위해 그래디언트 강하를 사용하며, 단계 허용 오차 기반 수렴 조건을 적용한다.
• 총 경로 손실의 x_UAV에 대한 해석적 그래디언트를 유도하여, 업데이트 규칙 x_UAV,n+1 = x_UAV,n - a * dL_Total/dx_UAV,n를 사용한 반복 최적화를 가능하게 한다.
• 두 가지 실용적 케이스를 고려한다: (1) 최대 경로 손실을 가진 사용자에 대한 전력 최소화, (2) 층 간 대칭적 사용자 분포를 통해 그래디언트 기반 최적화 가능하게 하기.
• 고정된 파rameter(예: 2 GHz 주파수, 5m 층 높이, 층당 20명의 사용자)를 사용해 다양한 건물 높이와 너비에서 UAV 위치 효율성을 평가하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행한다.

Figure 1 : Parameters of the path loss model

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실외-실내 경로 손실 모델은 고층 건물 내부 커버리지에서 UAV 위치 설정의 상호 보완적 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전체 건물 내부 커버리지에 필요한 총 전송 전력을 최소화하는 최적의 UAV 위치는 무엇인가?
• RQ3 건물 높이가 최대 경로 손실을 최소화하기 위한 최적의 수평 UAV 위치에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 건물 너비가 대칭적 사용자 분포 조건 하에서 최적의 UAV 수평 위치에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 대칭적 사용자 분포 조건에서 그래디언트 강하가 효율적으로 근사 최적의 UAV 위치로 수렴할 수 있는가?

주요 결과

• 건물 높이가 증가할수록, 더 큰 입사각으로 인한 더 높은 건물 투과 손실을 보상하기 위해 최적의 UAV 수평 위치(x_UAV)가 증가한다.
• 건물 너비가 증가할수록, 더 큰 수평 거리로 인한 더 높은 실내 경로 손실을 완화하기 위해 최적의 x_UAV가 감소한다.
• 대칭적 사용자 분포 조건에서 그래디언트 강하 알고리즘이 500회 이내 반복 내에 안정적인 최적의 x_UAV 위치로 수렴한다.
• 250미터 높이의 건물에서, 너비가 증가함에 따라 최적의 x_UAV가 건물 중심 쪽으로 이동하여 총 경로 손실을 최소화한다.
• 모델은 핵심적인 상호 보완적 특성을 드러낸다: UAV 고도를 높이면 라인오브사이트 차단을 줄일 수 있지만 자유공간 경로 손실이 증가하고, 수평 이격은 투과 손실과 실내 손실에 모두 영향을 미친다.
• 수치 결과는 제안된 그래디언트 강하 방법이 균일하거나 히우리스틱 배치 대비 더 낮은 총 전송 전력을 달성함을 확인한다.

Figure 2 : Transmit power required to cover the building