[논문 리뷰] Uplink Performance Analysis of a Drone Cell in a Random Field of Ground Interferers

Mohammad Mahdi Azari, Fernando E. Rosas외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 03.

UAV Applications and Optimization인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 드론 셀의 업링크 성능을 분석하기 위해 지상 간섭자를 포아송 점 프로세스로 모델링하고, 방향성 안테나 패턴, 고도에 따른 샤도잉, 환경에 특화된 LOS 확률을 고려한다. 높은 고도는 LOS 링크를 향상시키지만 간섭에 더 노출되게 하므로, 최적의 드론 고도와 SIR 임계값을 설정하면 특히 간섭 수준이 낮은 고밀도 도심 지역에서 커버리지와 전송률을 극대화할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Aerial base stations are a promising technology to increase the capabilities of the existing communication networks. However, the existing analytical frameworks do not sufficiently characterize the impact of ground interferers on the aerial base stations. In order to address this issue, we model the effect of interference coming from the coexisting ground networks on the aerial link, which could be the uplink of an aerial cell served by a drone base station. By considering a Poisson field of ground interferers, we characterize the aggregate interference experienced by the drone. This result includes the effect of the drone antenna pattern, the height-dependent shadowing, and various types of environment. We show that the benefits that a drone obtains from a better line-of-sight (LoS) at high altitudes is counteracted by a high vulnerability to the interference coming from the ground. However, by deriving the link coverage probability and transmission rate we show that a drone base station is still a promising technology if the overall system is properly dimensioned according to the given density and transmission power of the interferers. Particularly, our results illustrate how the benefits of such network is maximized by defining the optimal drone altitude and signal-to- interference (SIR) requirement.

연구 동기 및 목표

• 무작위 지상 간섭자 집합으로부터의 집합 간섭을 특성화하기 위해.
• 방향성 안테나 패턴, 고도에 따른 샤도잉, 환경에 특화된 LOS 확률이 간섭과 링크 품질에 미치는 영향을 모델링하기 위해.
• 현실적인 간섭 및 전파 조건 하에서 커버리지 확률과 전송률 수식을 유도하기 위해.
• 간섭에도 불구하고 네트워크 성능을 극대화하는 최적의 드론 고도와 SIR 임계값을 규명하기 위해.

제안 방법

• 지상 간섭자를 밀도 λ를 가진 동질적 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링한다.
• 드론 기지국에 방향성 안테나 패턴을 적용하여 간섭에 대한 비례형 효과를 캡처한다.
• 환경에 따라 달라지는 LOS 확률과 샤도잉 fading을 통합하며, 경사각과 환경 유형에 따라 변하는 path loss 모델을 적용한다.
• 스토크است릭 기하학과 모멘트 생성 함수를 사용하여 집합 간섭의 평균과 분산을 유도한다.
• 간섭의 라플라스 변환을 적용하여 커버리지 확률과 전송률을 계산한다.
• 수치적으로 시스템 파라미터(고도, SIR 임계값)를 최적화하여 성능 지표를 극대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무작위 지상 간섭자 집합으로부터의 집합 간섭은 드론 셀의 업링크 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 드론 고도는 LOS 이득과 간섭 노출 증가 사이의 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 환경에 특화된 전파 모델(예: 도시 대비 고층 도시)은 간섭과 커버리지에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 커버리지 확률과 전송률을 극대화하는 데 최적의 드론 고도는 무엇인가?
• RQ5 SIR 임계값은 커버리지와 스펙트럼 효율성 사이의 트레이드오프에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 커버리지 확률은 경로 손실 증가와 LOS 확률 향상 사이의 균형을 이루는 최적의 드론 고도에서 최대가 되며, 거리 r이 짧을수록 최적 고도가 높아진다.
• 고밀도 도시 지역(Highrise Urban)은 유사한 LOS 확률에도 불구하고 낮은 간섭 수준으로 인해 농촌 지역보다 높은 고도에서 더 우수한 커버리지를 보인다.
• 전송률은 커버리지 확률을 극대화하는 것보다 낮은 SIR 임계값 T에서 최대가 되며, 이는 로그형 전송률-SIR 트레이드오프 때문이다.
• 집합 간섭은 그 평균 값으로 잘 근사될 수 있어 정확도 손실 없이 성능 분석을 단순화할 수 있다.
• 간섭자에서의 전송 전력(PI)이 낮을수록 최대 달성 전송률이 증가하지만, PI가 클수록 최적 전송률이 감소한다.
• 드론이 LOS 확률이 높고 간섭이 최소화되는 고도에서 운영될 때 최적의 시스템 성능을 달성하며, 특히 높은 장애물이 많은 환경에서 그러하다.