[논문 리뷰] Sum-Rate Analysis for High Altitude Platform (HAP) Drones with Tethered Balloon Relay

P. Sudheesh, Mohammad Mozaffari외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 18.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 채널 상태 정보가 송신기에서 가용하지 않은 고고도 플랫폼(HAP) 드론-지상국(GS) 통신에서 최대 합성율을 달성하기 위해 터널링된 발리우스 리레이를 사용하는 디코딩-앤퍼포우트(DF) 리레이 보조 간섭정렬(IA) 방식을 제안한다. 시스템을 M×N X채널로 모델링하고 폐쇄형 용량 표현식을 유도함으로써, 저자들은 특정 터널링된 발리우스 고도에서 최적 성능을 달성함을 보여주며, 고리치안(fading) 환경에서도 상당한 합성율 향상을 얻는다.

ABSTRACT

High altitude platform (HAP) drones can provide broadband wireless connectivity to ground users in rural areas by establishing line-of-sight (LoS) links and exploiting effective beamforming techniques. However, at high altitudes, acquiring the channel state information (CSI) for HAPs, which is a key component to perform beamforming, is challenging. In this paper, by exploiting an interference alignment (IA) technique, a novel method for achieving the maximum sum-rate in HAP-based communications without CSI is proposed. In particular, to realize IA, a multiple-antenna tethered balloon is used as a relay between multiple HAP drones and ground stations (GSs). Here, a multiple-input multiple-output X network system is considered. The capacity of the considered M*N X network with a tethered balloon relay is derived in closed-form. Simulation results corroborate the theoretical findings and show that the proposed approach yields the maximum sum-rate in multiple HAPs-GSs communications in absence of CSI. The results also show the existence of an optimal balloon's altitude for which the sum-rate is maximized.

연구 동기 및 목표

• 고도가 높고 이동성이 높아 채널 상태 정보가 송신기에서 가용하지 않을 때 HAP 드론-지상국 통신에서 높은 스펙트럼 효율을 달성하는 데 도전하는 것.
• 높은 경로 손실과 채널 상관관계로 인해 동적인 HAP 시스템에서 전통적인 빔포밍 및 간섭 관리 기법의 한계를 극복하는 것.
• 다중 안테나를 갖춘 터널링된 발리우스 리레이를 사용하여 CSIT 없이도 도메인 자유도(DoF)와 합성율을 최대화하는 리레이 보조 간섭정렬 방식을 설계하는 것.
• 리치안(fading) 환경에서 터널링된 발리우스 리레이가 있는 M×N X채널의 용량에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하는 것.
• 실제 전파 조건 하에서 시스템의 합성율을 최대화하는 데 최적의 터널링된 발리우스 고도를 규명하는 것.

제안 방법

• HAP-GS 통신 시스템을 M개의 HAP 드론이 N개의 지상국에 리레이를 통해 전송하는 M×N X채널로 모델링한다.
• 터널링된 발리우스에서 디코딩-앤퍼포우트(DF) 리레이팅 프로토콜을 적용하며, (M−1)×(N−1)개의 안테나를 통해 간섭정렬을 지원한다.
• 리치안(fading) 환경 하에서 HAP-리레이 및 리레이-GS 링크의 합성율 분석을 통해 시스템 용량에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 간섭정렬(IA) 원리를 적용하여 간섭을 낮은 차원의 부분공간으로 정렬함으로써 CSIT 없이도 공간 multiplexing 이득을 얻을 수 있도록 한다.
• 전송 전력, 거리, 리치안 요소의 영향을 분석하기 위해 전력 할당 및 경로 손실 모델을 적용한다.
• 다양한 SNR, 리치안 요소 및 발리우스 고도 조건 하에서 시뮬레이션을 통해 분석 모델의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CSIT가 송신기에서 필요하지 않은 조건에서도 간섭정렬이 HAP 드론-지상국 통신에 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 M×N HAP-GS X채널 시스템에서 합성율을 최대화하는 데 최적의 터널링된 발리우스 고도는 무엇인가?
• RQ3 HAP-리레이 및 리레이-GS 링크에서의 리치안(fading) 요소(κᵤ 및 κₗ)는 가용 합성율과 DoF에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 리치안(fading) 및 DF 리레이팅 조건 하에서 다수의 HAP 및 GS를 갖는 리레이 보조 HAP 시스템의 폐쇄형 용량 표현식은 무엇인가?
• RQ5 터널링된 발리우스 리레이를 사용할 경우, HAP 수(M)와 지상국 수(N)가 증가함에 따라 시스템 성능는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 제안된 DF 리레이 보조 IA 방식은 CSIT 없이도 HAP-GS 통신에서 최대 가능한 합성율을 달성하며, 공간 멀티플렉싱을 효과적으로 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과는 분석 용량 표현식과 일치함을 확인하였으며, 다양한 SNR 및 리치안 요소 값에서 이론적 합성율과 시뮬레이션 합성율 간에 완벽한 일치를 보였다.
• 25 dB SNR에서 리레이-GS 링크의 리치안 요소가 20 dB에서 15 dB로 감소함에 따라 합성율이 34.8% 향상되었다.
• 리레이-GS 링크의 리치안 요소가 15 dB일 경우, 25 dB SNR에서 비-리레이 케이스 대비 합성율이 최대 1.7배까지 증가하였다.
• HAP-GS 거리가 18 km이고 리치안 요소가 κᵤ=30 dB 및 κₗ=15 dB일 때, 최대 합성율을 위한 최적의 터널링된 발리우스 고도는 15.5 km였다.
• HAP-리레이 및 리레이-GS 링크의 리치안 요소가 점점 균형을 이루게 되면(즉, κᵤ ≈ κₗ), 최적 리레이 고도는 HAP-GS 링크의 중간점(dSD/2)으로 수렴한다.