[论文解读] Sum-Rate Analysis for High Altitude Platform (HAP) Drones with Tethered Balloon Relay

P. Sudheesh, Mohammad Mozaffari+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 16被引用 5

一句话总结

本文提出了一种使用系留气球中继的解码转发（DF）协作干扰对齐（IA）方案，以在无需瞬时信道状态信息（CSIT）的情况下实现高空平台（HAP）无人机与地面站（GS）通信中的最大和速率。通过将系统建模为M×N X通道并推导出闭式容量表达式，作者表明在特定系留气球高度下可实现最优性能，即使在高Rician衰落环境中也能获得显著的和速率增益。

ABSTRACT

High altitude platform (HAP) drones can provide broadband wireless connectivity to ground users in rural areas by establishing line-of-sight (LoS) links and exploiting effective beamforming techniques. However, at high altitudes, acquiring the channel state information (CSI) for HAPs, which is a key component to perform beamforming, is challenging. In this paper, by exploiting an interference alignment (IA) technique, a novel method for achieving the maximum sum-rate in HAP-based communications without CSI is proposed. In particular, to realize IA, a multiple-antenna tethered balloon is used as a relay between multiple HAP drones and ground stations (GSs). Here, a multiple-input multiple-output X network system is considered. The capacity of the considered M*N X network with a tethered balloon relay is derived in closed-form. Simulation results corroborate the theoretical findings and show that the proposed approach yields the maximum sum-rate in multiple HAPs-GSs communications in absence of CSI. The results also show the existence of an optimal balloon's altitude for which the sum-rate is maximized.

研究动机与目标

• 解决由于高空和移动性导致瞬时信道状态信息（CSIT）不可用时，HAP无人机与地面站（GS）通信中实现高 spectral efficiency 的挑战。
• 克服传统波束成形与干扰管理在具有高路径损耗和信道相关性的动态HAP系统中的局限性。
• 设计一种基于多天线系留气球的中继协作干扰对齐方案，以在无CSIT条件下最大化自由度（DoF）和和速率。
• 推导出在Rician衰落环境中，具有系留气球中继的M×N X通道的容量闭式表达式。
• 在实际传播条件下，识别出能使系统和速率最大化的系留气球最优高度。

提出的方法

• 将HAP-GS通信系统建模为M×N X通道，其中M架HAP无人机通过中继向N个地面站传输信号。
• 在系留气球上采用解码转发（DF）中继协议，其具有(M−1)×(N−1)根天线以支持干扰对齐。
• 通过分析HAP到中继和中继到GSs链路在Rician衰落下的和速率，推导出系统容量的闭式表达式。
• 应用干扰对齐（IA）原理，将干扰对齐至低维子空间，从而在无CSIT条件下实现空间复用增益。
• 应用功率分配和路径损耗模型，分析发射功率、距离和Rician因子对系统性能的影响。
• 通过在不同信噪比（SNR）、Rician因子和气球高度下进行仿真，验证了分析模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HAP无人机与地面站通信中，是否可以有效应用干扰对齐而无需在发射端获取CSI？
• RQ2 在M×N HAP-GS X通道系统中，使和速率最大化的系留气球最优高度是什么？
• RQ3 HAP-中继和中继-GSs链路处的Rician衰落因子（κᵤ和κₗ）如何影响可实现的和速率和自由度（DoF）？
• RQ4 在Rician衰落和DF中继条件下，具有多个HAP和GS的中继协作HAP系统的闭式容量表达式是什么？
• RQ5 当使用系留气球中继时，系统性能如何随HAP数量（M）和地面站数量（N）变化？

主要发现

• 所提出的DF中继协作IA方案即使在无CSIT条件下，也能在HAP-GS通信中实现最大可能的和速率，有效实现空间复用。
• 仿真结果验证了分析容量表达式，表明在不同信噪比（SNR）和Rician因子取值下，理论和模拟和速率完全一致。
• 在25 dB SNR下，当中继-GSs链路的Rician因子从20 dB降低到15 dB时，系统和速率增益达到34.8%。
• 当中继-GSs链路的Rician因子为15 dB时，在25 dB SNR下，和速率相比无中继情况最高提升1.7倍。
• 当HAP-GS距离为18 km，且Rician因子为κᵤ=30 dB和κₗ=15 dB时，使和速率最大化的最优系留气球高度为15.5 km。
• 当HAP-中继和中继-GSs链路的Rician因子趋于平衡时（即κᵤ ≈ κₗ），最优中继高度趋近于HAP-GS链路的中点（dSD/2）。