[论文解读] Impact of UAV Antenna Configuration on Wireless Connectivity in Urban Environments

Boris Galkin, Jacek Kibiłda+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文利用随机几何方法，分析了城市环境中无人机（UAV）天线配置对无线连接性的影响，比较了专用地面站（GS）网络与地面基站（BS）网络的性能。结果表明，可转向或定向的无人机天线能显著提升覆盖概率，尤其是在高空时，使专用GS网络相比依赖现有蜂窝基础设施更具优势。

ABSTRACT

The growing presence of UAVs has led operators to explore the issue of how to provide wireless service to UAVs. The achieveable service quality will be affected by a number of factors, including the type of antenna that the UAVs are equipped with and whether to use existing cellular infrastructure or deploy dedicated ground stations to service these new user devices. In this paper we employ stochastic geometry to carry out an analysis of the UAV coverage probability that can be achieved with a network of dedicated ground stations using a sub-6GHz technology such as LTE under different deployment conditions, given different types of UAV antennas. We provide analytical expressions for the coverage probability; we also evaluate the performance of the GS network against the case where the UAVs are served by a typical terrestrial BS network.

研究动机与目标

• 分析无人机天线配置（全向、固定定向、可转向定向）对城市环境中无线连接性的影响。
• 比较专用地面站（GS）网络与现有地面基站（BS）网络在无人机连接性能上的差异。
• 量化智能波束成形及优化的天线方向性在UAV-BS/GS链路中带来的覆盖概率增益。
• 确定在何种条件下需部署专用GS网络，而非依赖现有蜂窝基础设施。

提出的方法

• 将GS网络建模为平面内的泊松点过程（PPP），强度为λ，表示地面站的随机部署。
• 利用随机几何方法推导覆盖概率的解析表达式，考虑路径损耗、阴影衰落以及来自其他GS的干扰。
• 考虑三种无人机天线类型：全向（各向同性辐射）、固定定向（下倾圆锥波束，波束宽度为ω）和可转向定向（电子对准服务GS）。
• 引入垂直角φ_i = arctan(Δγ / r_i)以建模视 Line-of-Sight（LoS）与非视 Line-of-Sight（NLoS）传播条件。
• 通过识别位于主瓣区域W内的干扰源来评估干扰，其中W由无人机的波束宽度和方向性决定。
• 将结果与采用相同无人机高度和部署场景的地面BS网络仿真结果进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 无人机天线类型（全向、固定定向、可转向定向）的选择如何影响城市无人机网络中可实现的覆盖概率？
• RQ2 当无人机在不同高度运行时，专用GS网络相较于地面BS网络的性能增益如何？
• RQ3 在何种无人机高度下，地面BS网络性能下降至足以证明部署专用GS网络的合理性？
• RQ4 与固定或全向天线相比，可转向无人机天线中的智能波束对准在抑制干扰和提升信号质量方面能带来多大程度的改善？
• RQ5 GS密度如何影响覆盖概率？对于不同无人机天线配置，使GS网络优于地面网络所需的最小GS密度是多少？

主要发现

• 专用GS网络在高海拔无人机场景下（如100米以上）显著优于地面BS网络，主要得益于上倾的GS天线与空中用户对齐。
• 对于全向无人机天线，GS网络与地面网络均面临高干扰，但GS网络因更好的视 Line-of-Sight 对齐和更少的旁瓣接收而保持稳定性能。
• 对于固定定向无人机天线（下倾），GS网络仅在无人机运行高度超过某一阈值（通常为120米以上）时才优于地面网络，原因在于波束对准改善和干扰减少。
• 可转向定向无人机天线在所有高度下均显著提升性能，即使在地面网络之上也能实现高覆盖概率，尤其当无人机能将其波束对准服务GS时效果更明显。
• GS网络仅需极少的GS密度即可实现与地面网络相当或更优的性能，表明其具有更高的频谱和空间效率。
• 结果表明，无人机天线配置是决定是否需要专用基础设施的关键因素，高增益、定向或可转向天线可显著降低对新GS部署的需求。