[论文解读] Upward Spatial Coverage Recovery via Movable Antenna in Low-Altitude Communications

Kan Yu, Kaixuan Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2026

UAV Applications and Optimization被引用 0

一句话总结

本文提出一个可动天线（MA）框架，通过联合优化 MA 位置和波束形成，在低空高度的上向 3D 覆盖方面超越固定位置天线。它使用混合粒子群优化–模拟退火（PSO–SA）优化和 MRT 波束形成实现体积覆盖增益。

ABSTRACT

The rapid proliferation of unmanned aerial vehicle (UAV) applications imposes stringent requirements on continuous and reliable communication coverage in low-altitude airspace. Conventional cellular systems built upon fixed-position antennas (FPAs) are inherently constrained by static array geometries and limited mechanical degrees of freedom, which severely restrict their ability to adapt to highly dynamic three-dimensional (3D) propagation environments. Movable antenna (MA) technology has recently emerged as a promising paradigm to overcome these limitations by actively reconfiguring electromagnetic radiation characteristics through controllable antenna positioning and array orientation, thereby enabling flexible spatial coverage adaptation. To systematically quantify the airspace coverage capability of MA-enabled systems, this paper formulates a spatial coverage maximization problem over a discretized 3D voxel space. For each voxel, the received signal-to-noise ratio (SNR) is maximized via joint optimization of the MA's 3D positions and beamforming matrices. To efficiently solve the resulting non-convex problem, a hybrid particle swarm optimization and simulated annealing framework is developed to search for high-quality antenna configurations. Simulation results demonstrate that the proposed MA design framework substantially outperforms conventional FPA-based schemes in terms of spatial coverage, achieving coverage rates of 26.8% and 29.65% for airspace below 300m and 600m, respectively. Moreover, further coverage enhancement can be attained by incorporating mechanical tilt adjustment, highlighting the strong potential of MA technology for reliable low-altitude communication coverage.

研究动机与目标

• 量化低空空域中可动天线系统的向上空间覆盖能力。
• 提出一个可行的优化框架，将 MA 位置与波束形成相结合。
• 在 3D 覆盖场景下，与固定位置天线相比，比较 MA 使能的体系结构。
• 展示机械倾斜灵活性带来的额外增益。

提出的方法

• 将空域建模为离散化的 3D 体素网格，并用信噪比阈值定义覆盖。
• 联合优化 MA 的三维位置和发射波束形成以最大化体素可覆盖性。
• 分解为天线位置子问题，由混合 PSO–SA 算法求解；波束形成子问题由 MRT 求解。
• 用余弦辐射模式和瑞利/瑞克斯衰落来表示 LoS 与 NLoS 信道。
• 在 MA 位置固定后，给出 MRT 的闭式波束形成解。

实验结果

研究问题

• RQ1 MA 基于向上覆盖与传统 FPAs 在低空空域中的比较如何？
• RQ2 在联合优化 MA 位置与波束形成时，可以达到的体积覆盖增益是多少？
• RQ3 增加机械倾斜灵活性在多大程度上提升 MA 驱动的覆盖？
• RQ4 是否存在可行的优化框架（PSO–SA + MRT）高效地为基于体素的覆盖找到高质量的 MA 配置？
• RQ5 现实信道建模（LoS/NLoS、余弦形状）对覆盖性能有什么影响？

主要发现

• 基于 MA 的设计在仿真中显著优于 FPAs 的向上覆盖。
• MA 框架在低于 300 m 时的覆盖率达到 26.8%，在低于 600 m 时达到 29.65%。
• 加入机械倾斜进一步提升覆盖性能。
• 混合 PSO–SA 算法有效探索 MA 配置以最大化基于 SNR 的可覆盖性。
• 在 MA 位置固定后，MRT 提供了闭式、功率受限的波束形成解。