[论文解读] A Stochastic Geometry Model of Backhaul and User Coverage in Urban UAV Networks

Boris Galkin, Jacek Kibiłda+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 17被引用 39

一句话总结

本文提出一种随机几何模型，用于分析城市无人机网络中回传链路与用户覆盖的联合性能，考虑了阻挡、干扰及波束赋形的影响。推导出用户覆盖概率的闭式表达式，并表明存在一个最优无人机高度可使覆盖性能最大化；当无人机自适应调整高度以满足回传链路约束时，系统性能仍能保持良好。

ABSTRACT

Wireless access points on unmanned aerial vehicles (UAVs) are being considered for mobile service provisioning in commercial networks. To be able to efficiently use these devices in cellular networks it is necessary to first have a qualitative and quantitative understanding of how their design parameters reflect on the service quality experienced by the end user. In this paper we model a network of UAVs operating at a certain height above ground to provide wireless service within coverage areas shaped by their directional antennas, with the UAVs using the existing terrestrial base station network for wireless backhaul. We provide an analytical expression for the coverage probability experienced by a typical user as a function of the UAV parameters. Using our derivations we demonstrate the existence of an optimum UAV height which maximises the end user coverage probability. We then explore a scenario where the UAVs adjust their individual heights to meet their backhaul requirements while at the same time attempting to maximise the coverage probability of the end user on the ground.

研究动机与目标

• 使用随机几何方法对城市环境中无人机回传与用户覆盖的联合影响进行建模。
• 量化无人机高度、波束宽度及环境参数对用户覆盖概率的影响。
• 分析密集城市部署中无人机回传可靠性与用户服务质量之间的权衡。
• 评估无人机是否可通过自主调整高度，在满足回传需求的同时最大化地面用户覆盖。

提出的方法

• 将无人机建模为位于地平面之上的泊松点过程，建筑物以随机高度和位置表示。
• 利用随机几何方法推导无人机到用户链路与无人机回传链路的干扰拉普拉斯变换。
• 结合广义瑞利衰落（Nakagami-m）衰落模型与基于链路几何结构和建筑物密度的视 Line-of-Sight (LOS) 概率模型。
• 推导出典型用户覆盖概率的闭式表达式，其依赖于无人机高度、密度、波束宽度与SINR门限。
• 应用 Faà di Bruno 公式计算干扰拉普拉斯变换的高阶导数，以支持干扰分析。
• 通过在不同无人机高度、密度及环境条件下进行数值仿真，验证分析结果的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在阻挡与干扰的城市环境中，使用户覆盖概率最大化的最优无人机高度是多少？
• RQ2 无人机回传可靠性如何依赖于无人机高度及地面基站的分布情况？
• RQ3 无人机是否能自主选择高度，以同时满足回传需求并最大化用户覆盖？
• RQ4 建筑物密度与天线波束宽度如何影响无人机网络的覆盖性能？
• RQ5 衰落（Nakagami-m）与 LOS 概率对整体系统覆盖性能有何影响？

主要发现

• 存在一个最优无人机高度可使用户覆盖概率最大化，且该最优值取决于无人机密度、波束宽度与SINR门限。
• 当无人机调整高度以满足回传需求时，其用户覆盖概率与所有无人机固定在最优高度时的性能相当。
• 当无人机配备定向波束天线并运行在中等高度（例如约100 m）时，覆盖性能显著提升，此时视 Line-of-Sight 概率与干扰水平达到良好平衡。
• 当无人机处于足够高度并使用高增益定向天线时，可通过现有LTE基站实现可靠的回传链路。
• 分析模型能准确预测系统性能，其有效性在真实城市环境下的数值仿真中得到验证。
• 模型表明，通过智能的高度自适应机制，无人机网络可同时满足回传与用户覆盖需求。