[论文解读] Uplink Performance Analysis of a Drone Cell in a Random Field of Ground Interferers

Mohammad Mahdi Azari, Fernando E. Rosas+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2017

UAV Applications and Optimization被引用 6

一句话总结

本文通过将地面干扰源建模为泊松点过程，分析了无人机小区上行链路性能，考虑了定向天线增益、随高度变化的阴影衰落以及环境相关的视 Line-of-Sight（LoS）概率。结果表明，虽然高空可提升 LoS 链路质量，但也增加了对干扰的敏感性；然而，通过优化无人机高度和SIR门限，可在密集城市区域等低干扰环境中实现最大覆盖范围和传输速率。

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.

研究动机与目标

• 表征来自随机分布地面干扰源的累积干扰特性。
• 建立定向天线增益、随高度变化的阴影衰落以及环境相关的LoS概率对干扰与链路质量影响的模型。
• 在现实的干扰与传播条件下，推导覆盖概率与传输速率的表达式。
• 识别出能最大化网络性能的最优无人机高度与SIR门限。

提出的方法

• 将地面干扰源建模为密度为λ的齐次泊松点过程（PPP）。
• 在无人机基站采用定向天线增益模式，以捕捉波束成形对干扰的影响。
• 结合环境依赖的LoS概率与阴影衰落，路径损耗模型根据仰角与环境类型变化。
• 利用随机几何与矩生成函数推导累积干扰的均值与方差。
• 应用干扰的拉普拉斯变换计算覆盖概率与传输速率。
• 通过数值方法优化系统参数（高度、SIR门限），以最大化性能指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自随机分布地面干扰源的累积干扰如何影响无人机小区的上行链路性能？
• RQ2 无人机高度如何影响LoS增益与干扰暴露增加之间的权衡？
• RQ3 环境相关的传播模型（如城市与高层建筑城市环境）如何影响干扰与覆盖性能？
• RQ4 何种无人机高度可使覆盖概率与传输速率达到最大？
• RQ5 SIR门限如何影响覆盖范围与频谱效率之间的权衡？

主要发现

• 覆盖概率在最优无人机高度处达到最大，该高度平衡了路径损耗增加与LoS概率提升的影响，且距离r越短，最优高度越高。
• 在密集城市区域（高层建筑城市环境）中，尽管LoS概率相似，但由于干扰水平较低，高空部署仍能提供优于农村区域的覆盖性能。
• 由于速率与SIR之间的对数关系，传输速率在低于覆盖概率最大值所对应的SIR门限T时达到最大。
• 累积干扰可良好地由其均值近似，从而在不显著损失精度的前提下简化性能分析。
• 干扰源发射功率（PI）越低，可实现的最大传输速率越高；而PI越高，则最优速率越低。
• 当无人机运行在LoS概率高且干扰最小的高程时，系统性能达到最优，尤其在存在大量高层障碍物的环境中。