[논문 리뷰] Statistical Modeling of the FSO Fronthaul Channel for UAV-based Networks

Marzieh Najafi, Hedieh Ajam외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 27.

Optical Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비행체 기반 자유공간 광학(FSO) 프론트홀 링크를 위한 새로운 통계적 채널 모델을 제안하며, 바람과 대기 영향으로 인한 비정상적인 입사각과 동적인 위치/자세 변동을 고려한다. 다양한 기상 조건 하에서 기하학적 손실 및 정렬 오차 손실을 모델링함으로써, 중단 확률 및 에르고딕 속도 표현식을 유도하여, 주어진 변동 분산 조건 하에서 중단 확률을 최소화하기 위해 빔 폭을 최적화할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the statistics of free space optics (FSO) communication channel between a hovering unmanned aerial vehicle (UAV) and a central unit (CU). Two unique characteristics make UAV-based FSO systems significantly different from conventional FSO systems with immobile transceivers. First, for UAV-based FSO systems, the incident laser beam is not always orthogonal to the photo detector (PD) plane. Second, both position and orientation of the UAV fluctuate over time due to dynamic wind load, inherent random air fluctuations in the atmosphere around the UAV, and internal vibrations of the UAV. On the contrary, for conventional FSO systems, the laser beam is always perpendicular to the PD plane and the relative movement of the transceivers is limited. In this paper, we develop a novel channel model for UAV-based FSO systems by quantifying the corresponding geometric and misalignment losses (GML), while taking into account the non-orthogonality of the laser beam and the random fluctuations of the position and orientation of the UAV. In particular, for diverse weather conditions, we propose different fluctuation models for the position and orientation of the UAV and derive corresponding statistical models for the GML. We further analyze the performance of a UAV-based FSO link in terms of outage probability and ergodic rate and simplify the resulting analytical expressions for the high signal-to-noise ratio (SNR) regime. Finally, simulations validate the accuracy of the presented analysis and provide important insights for system design. For instance, we show that for a given variance of fluctuations, the beam width can be optimized to minimize the outage probability.

연구 동기 및 목표

• 유독한 동적 특성을 지닌 UAV 기반 FSO 시스템에 대한 정확한 통계적 채널 모델 부족 문제를 해결한다.
• 비직교 레이저 입사각과 시간에 따라 변하는 UAV 위치/자세를 고려하여 UAV-FSO 시스템의 기하학적 및 정렬 오차 손실(GML)을 모델링한다.
• UAV 위치 및 자세의 기상 조건에 따른 변동을 고려하여 채널 모델의 현실성 향상을 도모한다.
• 고 SNR 조건 하에서 중단 확률 및 에르고딕 속도를 기준으로 시스템 성능을 분석한다.
• 주어진 변동 분산 조건 하에서 중단 확률을 최소화할 수 있는 최적의 빔 폭을 규명함으로써 설계 통찰을 제공한다.

제안 방법

• 레이저 빔과 광검출기 평면 사이의 입사각에 기반하여 GML를 정량화하는 기하학적 모델을 개발한다.
• 예를 들어 맑은 날, dense 안개, 비 오는 날과 같은 다양한 기상 조건 하에서 UAV 위치 및 자세의 변동을 위한 별도의 변동 모델을 도입한다.
• UAV 위치 및 자세 변동을 나타내는 랜덤 변수에 대해 통합하여 GML의 통계적 분포를 유도한다.
• 유도된 GML 통계를 바탕으로 중단 확률 및 에르고딕 속도 표현식을 수립하며, 고 SNR 영역에서의 단순화를 적용한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하여 분석 결과의 정확성을 검증하고, 다양한 기상 조건 하에서의 모델 정확도를 평가한다.
• 고정된 변동 분산 조건 하에서 중단 확률을 최소화하기 위해 빔 폭을 수치적으로 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비직교 빔 입사각은 UAV 기반 FSO 시스템의 기하학적 및 정렬 오차 손실에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 대기 조건 하에서 UAV의 위치 및 자세 변동의 통계적 특성은 무엇인가?
• RQ3 이러한 변동은 UAV-FSO 프론트홀 링크의 중단 확률 및 에르고딕 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 주어진 변동 제약 조건 하에서 빔 폭을 최적화하여 중단 확률을 최소화할 수 있는가?
• RQ5 고 SNR 영역에서 중단 및 에르고딕 속도에 대한 분석 표현식의 정확도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 채널 모델은 다양한 기상 조건 하에서 빔의 비직교성과 동적인 UAV 변동의 복합적 영향을 정확히 반영한다.
• UAV 위치 및 자세 변동의 분산이 클수록 중단 확률이 증가하지만, 최적의 빔 폭 선택을 통해 이를 완화할 수 있다.
• 고 SNR 영역에서 에르고딕 속도 표현식은 의미 있는 방식으로 단순화되어 효율적인 성능 평가가 가능하다.
• 시뮬레이션 결과는 유도된 중단 확률 및 에르고딕 속도 표현식의 분석 정확도를 확인한다.
• 고정된 변동 분산 조건 하에서 중단 확률을 최소화할 수 있는 최적의 빔 폭이 존재하며, 이는 핵심 설계 트레이드오프를 제공한다.
• 기상 조건은 변동의 통계적 행동에 상당한 영향을 미치므로, 정확한 시스템 설계를 위해 기상 조건에 맞는 별도의 모델링이 필요하다.