[논문 리뷰] Aerial-Ground Interference Mitigation for Cellular-Connected UAV

Weidong Mei, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 06.

UAV Applications and Optimization인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 셀룰러 연결 UAV 네트워크에서 심각한 공중-지상 간섭을 해결하기 위해 UAV 및 비활성 기지국(BS)을 활용한 간섭 완화 기법을 제안한다. UAV의 스펙트럼 감지 능력과 비활성 BS와의 협업을 통해, 제안된 기법들—UAV 감지 기반 ICIC 및 업링크/다운링크 CIC—은 기존의 지상 기반 ICIC 및 독점 스펙트럼 접근 방식에 비해 스펙트럼 효율을 크게 향상시켜 UAV와 지상 UEs 모두의 더 높은 합산 데이터율을 달성한다.

ABSTRACT

To support large-scale deployment of unmanned aerial vehicles (UAVs) in future, a new wireless communication paradigm, namely, cellular-connected UAV, has recently received an upsurge of interests in both academia and industry. Specifically, cellular base stations (BSs) and spectrum are reused to serve UAVs as new aerial user equipments (UEs) for meeting their communication requirements. However, compared to traditional terrestrial UEs, the high altitude of UAVs results in more frequent line-of-sight (LoS) channels with both their associated and non-associated BSs in a much wider area, which causes stronger aerial-ground interference to both UAVs and terrestrial UEs. As such, conventional techniques designed for mitigating the terrestrial interference become ineffective in coping with the new and more severe UAV-terrestrial interference. To tackle this challenge, we propose in this article new interference mitigation solutions for achieving spectral efficient operation of the cellular network with co-existing UAVs and terrestrial UEs. In particular, we exploit the powerful sensing capability of UAVs and inactive BSs in the network for interference mitigation/cancellation. Numerical results are presented to verify the efficacy of the proposed solutions and show their significant spectrum efficiency gains over terrestrial interference mitigation techniques.

연구 동기 및 목표

• 셀룰러 연결 UAV 네트워크에서 LOS 우세한 UAV-지상 채널로 인해 발생하는 심각한 공중-지상 간섭을 해결한다.
• 고고도 UAV의 더 넓은 커버리지와 강한 간섭으로 인해 기존의 지상 간섭 완화 기법이 효과를 발휘하지 못하는 한계를 극복한다.
• 스펙트럼 활용도를 극대화하고 간섭을 최소화함으로써 UAV와 지상 UEs 간의 효율적 공존을 가능하게 한다.
• UAV의 감지 능력과 비활성 BS를 협업 보조자로 활용하여 기존의 지상 ICIC를 초월한 간섭 조율 영역을 확장한다.
• 동일 대역 및 비활성 BS 간의 정보 교환을 통해 업링크 및 다운링크 간섭 제거(CIC) 메커니즘을 도입하여 네트워크 스펙트럼 효율을 향상시킨다.

제안 방법

• UAV의 강력한 라인오브사이트(LoS) 채널을 활용해 다수의 지상 BS와 신뢰성 있는 통신을 가능하게 하여 더 넓은 간섭 조율을 지원한다.
• UAV의 스펙트럼 감지를 통해 간섭이 가장 적은 리소스 블록(RBs)을 식별하고, 동적이고 지능적인 RB 할당을 통해 공중-지상 간섭을 감소시킨다.
• UAV 커버리지 영역(Du) 내 모든 BS에 UAV가 할당한 RB 인덱스를 브로드캐스트하여 지역 셀 클러스터를 초월한 간섭 조율 영역을 확장한다.
• 업링크 및 다운링크 CIC 도입: 스펙트럼 감지 이후 각 UAV의 서비스 BS는 복호화된 메시지를 인접한 동일 대역 또는 비활성 BS에 전달하여 간섭 제거를 수행한다.
• 비활성 BS를 보조 수신기로 활용해 간섭 신호를 복호화하고 제거함으로써 추가 백홀 요구 없이 간섭 완화 효과를 향상시킨다.
• 독점, 기회적, 협동 스펙트럼 공유를 조합한 하이브리드 접근 전략을 도입하여 다양한 간섭 완화 기법의 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV 기반 스펙트럼 감지 기법은 기존의 지상 기반 ICIC에 비해 간섭 조율 및 스펙트럼 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 다양한 간섭 완화 기법 하에서 지상 UEs의 밀도가 증가할 경우 UAV 및 지상 UEs의 합산 데이터율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비활성 BS는 셀룰러 연결 UAV 네트워크에서 간섭 제거 효과를 높이고 효과적인 조율 영역을 얼마나 확장할 수 있는가?
• RQ4 업링크/다운링크 CIC는 표준 ICIC 및 감지 기반 ICIC에 비해 스펙트럼 효율과 간섭 억제 측면에서 어떻게 뛰어나게 되는가?
• RQ5 UAV와 지상 UEs 간의 스펙트럼 공유를 효과적으로 관리할 수 있는가? 이는 성능 붕괴를 방지하면서 네트워크 합산 데이터율을 극대화하는 데 기여하는가?

주요 결과

• 스키마 4(UAV 감지 기반 ICIC)와 스키마 5(업링크/다운링크 CIC)는 UAV 감지 및 협업 BS를 통해 간섭 조율 영역을 확장함으로써 기존의 지상 ICIC(스키마 3)보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 업링크에서는 스키마 5가 효과적인 업링크 CIC 덕분에 가장 높은 지상 UEs 합산 데이터율을 달성하지만, 증가하는 지상 UEs 부하에도 불구하고 UAV 합산 데이터율은 안정성을 유지한다.
• 다운링크에서는 스키마 5가 스키마 3 및 4를 크게 능가하여, 다수의 BS로부터 발생하는 동일 대역 간섭을 효과적으로 억제함을 입증한다.
• 독점 스펙트럼 접근(스키마 1)은 지상 UEs 합산 데이터율이 0이 되어 공존을 위한 스펙트럼 격리 전략의 비효율성을 보여준다.
• 스키마 4 및 5를 통한 스펙트럼 공유로 인해, 특히 지상 UEs 수가 증가함에 따라 스킴 1 및 2에 비해 상당한 네트워크 합산 데이터율 향상을 기록한다.
• 제안된 기법들은 높은 지상 UEs 부하 조건에서도 UAV 합산 데이터율을 높게 유지하여, 밀도 높은 배치 환경에서의 강건성과 확장성을 입증한다.