[논문 리뷰] Uplink Coverage Performance of an Underlay Drone Cell for Temporary Events

Xiaohui Zhou, Jing Guo외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 18.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스타디움에서 열리는 일시적 행사 동안 스폰서드 드론 셀(ABS)을 사용하여 상향링크 커버리지 성능을 평가하기 위해 확률적 기하학 기반 분석 모델을 제안한다. 지상 기반국(지상국, TBS)과 ABS의 상향링크 커버리지 확률에 대한 폐형 표현식을 유도하여 두 성능 간의 상충 관계를 밝히고, ABS 커버리지 확률이 85% 이상이면서 TBS의 서비스 품질이 90% 유지되는 최적의 ABS 고도 250–500m를 규명한다.

ABSTRACT

Using a drone as an aerial base station (ABS) to provide coverage to users on the ground is envisaged as a promising solution for beyond fifth generation (beyond-5G) wireless networks. While the literature to date has examined downlink cellular networks with ABSs, we consider an uplink cellular network with an ABS. Specifically, we analyze the use of an underlay ABS to provide coverage for a temporary event, such as a sporting event or a concert in a stadium. Using stochastic geometry, we derive the analytical expressions for the uplink coverage probability of the terrestrial base station (TBS) and the ABS. The results are expressed in terms of (i) the Laplace transforms of the interference power distribution at the TBS and the ABS and (ii) the distance distribution between the ABS and an independently and uniformly distributed (i.u.d.) ABS-supported user equipment and between the ABS and an i.u.d. TBS-supported user equipment. The accuracy of the analytical results is verified by Monte Carlo simulations. Our results show that varying the ABS height leads to a trade-off between the uplink coverage probability of the TBS and the ABS. In addition, assuming a quality of service of 90% at the TBS, an uplink coverage probability of the ABS of over 85% can be achieved, with the ABS deployed at or below its optimal height of typically between 250-500 m for the considered setup.

연구 동기 및 목표

• 드론 보조 일시적 이벤트 네트워크에서 상향링크 성능에 대한 분석 연구 부족을 보완하기 위해.
• 상향링크 커버리지 성능을 모델링하고 정량화하기 위해 지상 기반국(TBS)과 공중 기반국(ABS)의 상호작용을 고려한 언더레이 드론 셀 환경에서의 성능 분석을 수행하기 위해.
• ABS의 상향링크 커버리지 성능을 극대화하면서도 TBS의 수용 가능한 QoS를 유지할 수 있는 최적의 ABS 고도를 규명하기 위해.
• 간섭 분포 및 거리 통계에 따라 달라지는 커버리지 확률에 대한 분석식을 제공하기 위해.

제안 방법

• 두 셀 네트워크(지상국과 드론 셀) 환경에서 사용자 단말기(UE) 분포를 이항점과정으로 모델링하고, 확률적 기하학을 활용하여 분석한다.
• 간섭 전력 분포의 라플라스 변환을 활용하여 TBS 및 ABS의 상향링크 커버리지 확률에 대한 분석식을 유도한다.
• 기하 확률과余弦 법칙을 활용하여 ABS와 ABS 지원 UE(AsUE) 및 TBS 지원 UE(TsUE) 사이의 거리 분포를 모델링한다.
• ABS 상향링크에 대한 Rayleigh fading을 감안하여 감마 분포를 적용하고, 간섭 분석을 위해 모멘트 생성 함수를 활용한다.
• 3차원 거리의 지면 평면에 대한 투영을 기반으로 ABS-UE 거리의 결합 확률 밀도 함수를 유도한다.
• 실제 배치 조건 하에서 정확성을 검증하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하여 분석 결과의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일시적 행사 환경에서 ABS 고도가 TBS 및 ABS의 상향링크 커버리지 확률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 TBS 상향링크와 ABS 상향링크 간의 간섭 분포는 어떻게 다를 수 있으며, 이는 커버리지 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 ABS의 상향링크 커버리지 성능을 극대화하면서도 TBS의 품질을 90% 유지할 수 있는 최적의 ABS 배치 고도는 무엇인가?
• RQ4 독립적이고 균일하게 분포된 AsUE 및 TsUE와의 ABS 간 거리 분포는 전체 커버리지 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 언더레이 드론 셀이 실제 시스템 제약 조건 하에서도 ABS에 대해 85% 이상의 상향링크 커버리지 확률을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• ABS 고도를 높힐수록 ABS의 상향링크 커버리지 확률은 향상되지만, TBS의 성능은 악화되어 성능 상충 관계가 존재함을 확인함.
• 제안된 네트워크 환경에서 ABS의 상향링크 커버리지 확률을 극대화하는 최적의 ABS 고도가 250m에서 500m 사이에 존재함.
• 최적 고도 이하로 ABS를 배치할 경우, ABS의 상향링크 커버리지 확률이 85% 이상 달성되며, 동시에 TBS의 품질이 90% 유지됨.
• 커버리지 확률에 대한 분석식은 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 유도된 모델의 높은 정확도를 입증함.
• 커버리지 확률 식은 간섭 전력 분포의 라플라스 변환과 ABS와 UE 간 거리 분포에 명시적으로 의존함.
• 결과는 언더레이 드론 셀이 콘cert나 스포츠 이벤트와 같은 일시적 행사 동안 상향링크 용량을 향상시키는 데 실현 가능함을 시사함.