[论文解读] Downlink Coverage and Rate Analysis of an Aerial User in Integrated Aerial and Terrestrial Networks.

Nesrine Cherif, Mohamed Alzenad+2 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

UAV Applications and Optimization被引用 16

一句话总结

本文使用随机几何方法分析了在集成空-地网络中，针对空中用户在下行链路的覆盖和速率性能。将地面基站（terrestrial-BSs）建模为二维泊松点过程，空中基站（aerial-BSs）建模为三维二项点过程，假设空中链路为视 Line-of-Sight（LoS）传输，且对蜂窝到空中链路采用简化的LoS概率模型。主要发现是，空中基站采用波束成形技术可显著降低干扰，从而提升系统性能。

ABSTRACT

In this paper, the downlink coverage probability and average achievable rate of an aerial user in a vertical HetNet (VHetNet) comprising aerial base stations (aerial-BSs) and terrestrial-BSs are analyzed. The locations of terrestrial-BSs are modeled as an infinite 2-D Poisson point process (PPP) while the locations of aerial-BSs are modeled as a finite 3-D Binomial point process (BPP) deployed at a particular height. We adopt cellular-to-air (C2A) channel model that incorporates LoS and NLoS transmissions between the terrestrial-BSs and the typical aerial user while we assume LoS transmissions for the air-toair (A2A) channels separating the aerial user and aerial-BSs. For tractability reasons, we simplify the expression of the LoS probability provided by the International Telecommunications Union using curve fitting. We assume that the aerial user is associated with the BS (either an aerial-BS or terrestrial-BS) that provides the strongest average received power. Using tools from stochastic geometry, we derive analytical expressions of the coverage probability and achievable rate in terms of the Laplace transform of interference power. To simplify the derived analytical expressions, we assume that the C2A links are in LoS conditions. Although this approximation gives pessimistic results compared to the exact performance, the analytical approximations are easier to evaluate and quantify well the performance at high heights of the aerial user. Our findings reveal that using directive beamforming for the aerial-BSs improves the downlink performance substantially since it alleviates the strong interference signals received from the aerial-BSs.

研究动机与目标

• 评估在融合空中与地面基站的异构网络中，空中用户在下行链路的覆盖概率与可实现速率。
• 将地面基站的空间分布建模为二维泊松点过程，空中基站的空间分布建模为固定高度下的三维二项点过程。
• 在基于最强平均接收功率的信号关联规则下分析性能，同时结合视 Line-of-Sight（LoS）与非视 Line-of-Sight（NLoS）传播模型。
• 通过曲线拟合简化LoS概率表达式，以提升性能分析的可计算性。
• 评估空中基站采用波束成形对干扰抑制与系统性能的影响。

提出的方法

• 将地面基站的位置建模为二维平面内的齐次泊松点过程，以保证空间随机性与分析可 tractability（可计算性）。
• 将空中基站的位置建模为固定高度下的有限三维二项点过程，以反映受控部署的实际情况。
• 采用蜂窝到空中（C2A）信道模型，考虑地面基站与空中用户之间同时存在的LoS与NLoS传播。
• 为简化起见，假设空中用户与空中基站之间的所有空中到空中（A2A）链路均为LoS状态。
• 对ITU推荐的LoS概率模型进行曲线拟合，以实现分析上的可计算性。
• 利用干扰功率的拉普拉斯变换，推导出覆盖概率与可实现速率的闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在由空中与地面基站组成的异构网络中，空中用户在下行链路的覆盖概率是多少？
• RQ2 空中用户的平均可实现速率如何随基站密度与高度等网络参数变化？
• RQ3 假设空中到空中链路均为LoS传输，对性能分析的准确性与可计算性有何影响？
• RQ4 空中基站采用波束成形在多大程度上通过降低干扰来提升覆盖与速率性能？
• RQ5 基于最强平均接收功率的信号关联规则，在混合空-地环境中如何影响系统性能？

主要发现

• 空中基站采用波束成形技术可显著提升下行链路覆盖概率与可实现速率，主要通过抑制其他空中基站产生的干扰。
• 假设所有C2A链路均为LoS条件，虽会得出偏保守的性能边界，但具有良好的分析可计算性，尤其在高空场景下表现更优。
• 通过干扰功率的拉普拉斯变换，对覆盖概率与速率的解析表达式进行了简化，从而支持高效的数值计算。
• 采用有限三维二项点过程对空中基站建模，可在固定高度下实现对部署密度的精确控制，提升建模的真实性。
• 性能分析表明，空中基站显著提升了高空区域的覆盖性能，尤其在采用波束成形技术时更为明显。
• 基于曲线拟合的简化LoS概率模型，可在高空场景中实现高精度的实用计算，且不显著损失准确性。