[论文解读] Uplink Coverage Performance of an Underlay Drone Cell for Temporary Events

Xiaohui Zhou, Jing Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的分析模型，用于评估在体育场临时事件场景下，通过部署在空中的无人机基站（ABS）实现的正交多址接入系统中上行链路覆盖性能。该文推导出地面基站（TBS）和ABS的上行链路覆盖概率的闭式表达式，揭示了两者之间的性能权衡，并确定了最优ABS高度为250–500米，该高度可实现超过85%的ABS覆盖概率，同时保持TBS服务质量达90%以上。

ABSTRACT

Using a drone as an aerial base station (ABS) to provide coverage to users on the ground is envisaged as a promising solution for beyond fifth generation (beyond-5G) wireless networks. While the literature to date has examined downlink cellular networks with ABSs, we consider an uplink cellular network with an ABS. Specifically, we analyze the use of an underlay ABS to provide coverage for a temporary event, such as a sporting event or a concert in a stadium. Using stochastic geometry, we derive the analytical expressions for the uplink coverage probability of the terrestrial base station (TBS) and the ABS. The results are expressed in terms of (i) the Laplace transforms of the interference power distribution at the TBS and the ABS and (ii) the distance distribution between the ABS and an independently and uniformly distributed (i.u.d.) ABS-supported user equipment and between the ABS and an i.u.d. TBS-supported user equipment. The accuracy of the analytical results is verified by Monte Carlo simulations. Our results show that varying the ABS height leads to a trade-off between the uplink coverage probability of the TBS and the ABS. In addition, assuming a quality of service of 90% at the TBS, an uplink coverage probability of the ABS of over 85% can be achieved, with the ABS deployed at or below its optimal height of typically between 250-500 m for the considered setup.

研究动机与目标

• 为解决无人机辅助临时事件网络中上行链路性能分析研究的不足。
• 在正交多址接入无人机基站部署场景下，对地面基站（TBS）和空中基站（ABS）的上行链路覆盖性能进行建模与量化。
• 识别出在保证TBS可接受服务质量的前提下，使ABS上行链路覆盖最大化时的最优ABS部署高度。
• 提供依赖于干扰分布和距离统计特性的覆盖概率解析表达式。

提出的方法

• 使用随机几何方法将用户设备（UE）分布建模为双小区网络中（含TBS和ABS）的二项点过程。
• 通过干扰功率分布的拉普拉斯变换，推导出TBS和ABS的上行链路覆盖概率的解析表达式。
• 利用几何概率和余弦定理，对ABS与ABS支持的用户设备（AsUEs）及TBS支持的用户设备（TsUEs）之间的距离分布进行建模。
• 采用伽马分布对ABS上行链路的瑞利衰落进行建模，并利用矩生成函数进行干扰分析。
• 基于3D距离在地面平面上的投影，推导ABS与UE间距离的联合概率密度函数。
• 通过蒙特卡洛仿真验证分析结果，确保在实际部署条件下具有高精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在临时事件场景下，ABS高度对TBS和ABS上行链路覆盖概率有何影响？
• RQ2 TBS上行链路与ABS上行链路的干扰分布有何差异，这种差异如何影响覆盖性能？
• RQ3 在何种ABS部署高度下，可使ABS的上行链路覆盖最大化，同时保持TBS 90%的服务质量？
• RQ4 ABS与独立且均匀分布的AsUEs和TsUEs之间的距离分布如何影响整体覆盖性能？
• RQ5 在实际系统约束下，正交多址接入无人机基站能否实现超过85%的ABS上行链路覆盖概率？

主要发现

• 提高ABS高度可提升ABS的上行链路覆盖概率，但会降低TBS的覆盖性能，表明存在性能权衡。
• 在250米至500米之间存在一个最优ABS高度，可使所考虑网络配置下ABS的上行链路覆盖概率达到最大。
• 当ABS部署在最优高度或以下时，可实现ABS超过85%的上行链路覆盖概率，同时保持TBS 90%的服务质量。
• 通过蒙特卡洛仿真验证了覆盖概率的解析表达式，确认了所推导模型的高精度。
• 覆盖概率表达式明确依赖于干扰功率分布的拉普拉斯变换以及ABS与UE间距离的分布。
• 结果表明，在音乐会或体育赛事等临时事件期间，使用正交多址接入无人机基站可有效提升上行链路容量。