[论文解读] Base Station Antenna Uptilt Optimization for Cellular-Connected Drone Corridors

Sung Joon Maeng, Md Moin Uddin Chowdhury+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2021

UAV Applications and Optimization参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文提出通过优化基站天线下倾角来最小化蜂窝连接无人机走廊中的掉线概率，采用包含两个相邻基站和定向天线的二维模型。关键发现是：最优下倾角通过平衡波束宽度与走廊高度来最小化SINR掉线概率，当整个波束覆盖走廊且无干扰时性能达到峰值（情况5）。

ABSTRACT

The concept of drone corridors is recently getting more attention to enable connected, safe, and secure flight zones in the national airspace. To support beyond visual line of sight (BVLOS) operations of aerial vehicles in a drone corridor, cellular base stations (BSs) serve as a convenient infrastructure, since such BSs are widely deployed to provide seamless wireless coverage. However, antennas in the existing cellular networks are down-tilted to optimally serve their ground users, which results in coverage holes if they are also used to serve drones. In this letter, we consider the use of additional uptilted antennas at cellular BSs and optimize the uptilt angle to minimize outage probability for a given drone corridor. Our numerical results show how the beamwidth and the maximum drone corridor height affect the optimal value of the antenna uptilt angle.

研究动机与目标

• 解决为地面用户设计的下倾基站天线在服务无人机时导致的覆盖盲区问题。
• 通过额外的下倾天线，实现指定走廊内无人机的可靠超视距（BVLOS）连接。
• 分析波束宽度和最大无人机走廊高度对最优下倾角选择的影响。
• 推导SINR掉线概率和平均SINR的闭式表达式，以评估系统性能。
• 基于下倾角和波束宽度的不同组合，识别五种不同的覆盖情况，其中情况5代表理想波束对齐。

提出的方法

• 建立二维无人机走廊模型，由两个相邻基站通过定向下倾天线服务。
• 使用概率密度函数描述无人机在走廊内水平方向（dx）和垂直方向（hx）的分布。
• 基于波束对齐和邻近基站干扰，使用解析表达式推导SINR掉线概率。
• 将平均SINR表示为下倾角、波束宽度和走廊高度的函数，并为五种覆盖情况中的每一种提供闭式解。
• 应用PDF变换和积分技术，计算走廊区域内掉线概率和平均SINR。
• 通过蒙特卡洛仿真验证分析结果，使用真实参数（如3 GHz、100 MHz带宽、30 dBm发射功率）。

实验结果

研究问题

• RQ1 最优天线下倾角如何随波束宽度和最大无人机走廊高度变化，以最小化SINR掉线概率？
• RQ2 不同下倾角与波束宽度组合会产生哪五种不同的覆盖场景？
• RQ3 在何种覆盖情况下平均SINR达到最大？该情况的定义条件是什么？
• RQ4 邻近基站的干扰如何影响不同下倾角下的SINR性能？
• RQ5 在掉线概率和平均SINR方面，波束宽度与性能之间存在何种权衡？

主要发现

• SINR掉线概率是下倾角的凸函数，可通过一阶导数方法实现全局优化。
• 随着最大无人机走廊高度增加，最优下倾角减小，极端下倾值会导致性能下降。
• 较宽波束宽度可降低掉线概率，而较窄波束宽度在波束完全覆盖走廊时可提高平均SINR。
• 最大平均SINR出现在情况5，此时整个波束宽度（从α到α+β）完全位于无人机走廊内且无干扰。
• 对于最大走廊高度300 m和50°波束宽度的情况，最优下倾角可最小化掉线概率，且性能随波束宽度增加而提升。
• 最大走廊高度较低（如200 m对比500 m）可显著改善所有波束宽度下的掉线概率和平均SINR。