[论文解读] Backhaul-aware Robust 3D Drone Placement in 5G+ Wireless Networks

Elham Kalantari, Muhammad Zeeshan Shakir+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 9被引用 25

一句话总结

本文提出了一种考虑回传链路的无人机基站（drone-BS）三维部署算法，在5G+网络中，针对无线回传容量约束，优化总服务用户数（网络中心）或和速率（用户中心）。关键贡献在于证明了最优三维部署对用户移动性具有鲁棒性，即使用户移动距离达100米，丢弃用户数也低于2%。

ABSTRACT

Using drones as flying base stations is a promising approach to enhance the network coverage and area capacity by moving supply towards demand when required. However deployment of such base stations can face some restrictions that need to be considered. One of the limitations in drone base stations (drone-BSs) deployment is the availability of reliable wireless backhaul link. This paper investigates how different types of wireless backhaul offering various data rates would affect the number of served users. Two approaches, namely, network-centric and user-centric, are introduced and the optimal 3D backhaul-aware placement of a drone-BS is found for each approach. To this end, the total number of served users and sum-rates are maximized in the network-centric and user-centric frameworks, respectively. Moreover, as it is preferred to decrease drone-BS movements to save more on battery and increase flight time and to reduce the channel variations, the robustness of the network is examined as how sensitive it is with respect to the users displacements.

研究动机与目标

• 解决无人机-BS部署中缺乏对无线回传链路容量限制的考虑，这会严重限制数据速率和用户容量。
• 开发一种考虑不同无线回传峰值速率（如FSO、毫米波、射频）的3D部署算法，将其作为关键设计约束。
• 在异构速率需求下，最大化服务用户总数（网络中心）或服务用户和速率（用户中心）。
• 评估最优部署方案对用户移动性的鲁棒性，以减少不必要的无人机重新定位和能量消耗。

提出的方法

• 建立一个3D无人机-BS部署问题，其中无人机的高程和水平坐标在回传容量约束下被优化。
• 建立两种不同的优化框架：网络中心（最大化服务用户总数）和用户中心（最大化服务用户和速率）。
• 引入真实的无线回传模型，包括FSO和基于RF的回传，考虑峰值速率可变性及天气引起的衰减。
• 使用数值优化方法，确定在回传和用户分布约束下，能最大化所选目标函数的最优3D位置（x, y, z）。
• 通过模拟用户在100米半径内位移，评估鲁棒性，并测量部署后仍保持连接的用户百分比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5G+网络中，无线回传容量变化（如50 Mbps至150 Mbps）如何影响无人机-BS可服务的用户数？
• RQ2 在回传和用户分布约束下，最大化服务用户总数或和速率的无人机-BS最优3D部署位置是什么？
• RQ3 当用户从初始位置移动最多100米时，最优部署性能如何退化？
• RQ4 在回传容量有限的情况下，网络中心与用户中心优化在用户数和和速率之间的权衡如何？

主要发现

• 服务用户数随回传容量增加而上升，至约150 Mbps后趋于饱和，因无线资源限制而不再增加。
• 在用户中心方法中，服务用户数随回传容量以固定速率增加，因低速率用户在高费率用户之后被逐步服务。
• 在网络中心方法中，随着回传容量提高，服务用户数的增加速率逐渐降低，因低速率用户优先被服务。
• 当用户从初始位置移动最多100米时，网络中心方法中丢弃用户数低于2%，用户中心方法中低于1%。
• 所提出的3D部署方案对中等程度的用户移动性具有鲁棒性，可减少频繁的无人机重定位，从而节省能量和飞行时间。
• 回传容量是关键限制因素，尤其对高费率用户影响显著，强调必须在无人机-BS部署设计中整合回传约束。