[논문 리뷰] Streaming from the Air: Enabling High Data-rate 5G Cellular Links for Drone Streaming Applications.

Lorenzo Bertizzolo, Tuyen X. Tran외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 21.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 30인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 5G 상향링크 비디오 스트리밍을 가능하게 하면서 지상 사용자에 대한 상향링크 간섭을 최소화하기 위해 드론 위치와 전송 비전 방향을 공동 최적화하는 저복잡도, 피드백 제어 오픈 라이선스(Open-RAN) 제어 시스템을 제안한다. 실외 테스트베드 실험과 대규모 시뮬레이션을 통해 평가된 결과, 기존의 기지국 제약이 있는 방법에 비해 평균 19%의 네트워크 용량 향상을 달성했으며, HD 비디오 스트리밍 요구사항을 충족한다.

ABSTRACT

Enabling high data-rate uplink cellular connectivity for drones is a challenging problem, since a flying drone has a higher likelihood of having line-of-sight propagation to base stations that terrestrial UEs normally do not have line-of-sight to. This may result in uplink inter-cell interference and uplink performance degradation for the neighboring ground UEs when drones transmit at high data-rates (e.g., video streaming). We address this problem from a cellular operator's standpoint to support drone-sourced video streaming of a point of interest. We propose a low-complexity, closed-loop control system for Open-RAN architectures that jointly optimizes the drone's location in space and its transmission directionality to support video streaming and minimize its uplink interference impact on the network. We prototype and experimentally evaluate the proposed control system on an outdoor multi-cell RAN testbed. Furthermore, we perform a large-scale simulation assessment of the proposed system on the actual cell deployment topologies and cell load profiles of a major US cellular carrier. The proposed Open-RAN-based control achieves an average 19% network capacity gain over traditional BS-constrained control solutions and satisfies the application data-rate requirements of the drone (e.g., to stream an HD video).

연구 동기 및 목표

• 5G 이동통신 네트워크에서 고속도 데이터 전송을 하는 드론 전송으로 인한 상향링크 간섭 문제를 해결한다.
• 밀도 높은 도시 환경에서 이웃 지상 사용자 장비(UE)에 대한 드론 상향링크 전송의 부정적 영향을 최소화한다.
• 공간적 위치 조정과 빔포밍 방향성 최적화를 공동으로 적용하여 드론에서의 신뢰성 있고 고속도 비디오 스트리밍을 가능하게 한다.
• 실제 구현에 적합한 실용적이고 저복잡도의 제어 솔루션을 개발하여 오픈 라이선스 아키텍처와 호환되도록 한다.
• 실제 이동통신 토폴로지와 부하 프로파일을 기반으로 시스템 성능을 평가하여 확장성과 효율성의 타당성을 입증한다.

제안 방법

• 실시간 네트워크 피드백을 기반으로 드론의 3차원 위치와 전송 빔 방향을 동적으로 조정하는 피드백 제어 시스템을 설계한다.
• 오픈 라이선스 아키텍처를 활용하여 기지국(BS) 파arameter와 빔포밍 구성에 대한 유연하고 프로그래머블한 제어를 가능하게 한다.
• 드론의 데이터 전송 요구사항과 이웃 셀 간 상향링크 간섭 제약 조건을 균형 잡는 공동 최적화 프레임워크를 구현한다.
• 실시간 채널 상태 정보(CSI)와 간섭 측정값을 활용하여 빔포밍 및 위치 결정을 안내한다.
• 네트워크에서 드론 제어기로의 피드백 메커니즘을 통합하여 전송 파aram터를 지속적으로 적응시킨다.
• 지상 UE에 대한 고간섭을 방지하기 위한 비용 함수를 적용하면서 드론의 고속도 데이터 전송을 우선시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고속도 비디오 스트리밍을 유지하면서 지상 UE에 대한 간섭을 최소화하기 위해 드론 상향링크 전송을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 기존의 기지국 제약이 있는 방법에 비해 피드백 제어 기반 오픈 라이선스 시스템은 네트워크 용량을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 실제 다중셀 5G 환경에서 공간적 위치와 빔포밍 최적화를 공동으로 적용할 경우 얻을 수 있는 데이터 전송 속도와 간섭 수준에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 통신사업자 네트워크 토폴로지와 동적 셀 부하 조건 하에서 제안된 시스템의 성능은 어떠한가?
• RQ5 지상 사용자의 서비스 품질을 떨어뜨리지 않고 드론에서의 HD 비디오 스트리밍을 신뢰성 있게 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 오픈 라이선스 기반 제어 시스템은 기존의 기지국 제약이 있는 제어 솔루션 대비 평균 19%의 네트워크 용량 향상을 달성한다.
• 시스템은 드론에서 고속도 데이터 전송 비디오 스트리밍을 성공적으로 지원하여 HD 비디오 전송 요구사항을 충족한다.
• 드론 위치와 빔 방향성의 공동 최적화가 이웃 지상 사용자에 대한 상향링크 간섭을 크게 감소시킨다.
• 실외 테스트베드 실험을 통해 실생활 조건에서 제어 시스템의 실현 가능성과 성능을 확인했다.
• 실제 미국 통신사업자 배포 데이터를 활용한 대규모 시뮬레이션을 통해 다양한 네트워크 토폴로지에서의 솔루션의 확장성과 견고성을 입증했다.
• 시스템은 다양한 셀 부하 조건에서도 높은 성능을 유지하여 내구성과 적응 능력을 입증했다.