Analysis of network coverage of aerial relay UAV using prediction of atmospheric propagation loss

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Compared with a terrestrial relay system, an aerial relay using unmanned aerial vehicles (UAVs) can more easily secure a line of sight (LoS), and the effect of multipath fading is small. In addition, transmission delays associated with aerial relays are smaller than delays associated with satellite relays. Moreover, maintenance and operation costs for aerial relays are comparatively quite low. However, the propagation loss due to atmospheric conditions associated with aerial relays is not only very large but also increases more rapidly as the elevation angle decreases. Therefore, when designing a link budget for a datalink system, it is essential to consider propagation loss due to operational environment and available probabilities of the atmospheric conditions.
In conventional common data link (CDL) systems, propagation data and prediction methods for satellite communication are utilized for the analysis of atmospheric propagation loss. However, this method is not suitable for UAV systems operating at low altitudes below the stratosphere.
In this paper, we introduce a prediction model concerning propagation loss for the air-to-ground (A2G) channel of ITU-R P.2041, which is recommended to be used in predicting propagation loss for aviation based on the prediction model for satellite communication. The total propagation loss due to the atmosphere is calculated by combining the predicted propagation loss due to atmospheric gases, rain, clouds, and scintillations according to the available probabilities. We also extend the A2G channel to the air-to-air (A2A) channel in order to analyze coverage according to the altitude of the unmanned aerial relay system, taking into consideration the operating conditions of long distance UAV. Finally, we propose an optimization algorithm using the Euclidean k-center algorithm to maximize the minimum SNR for a relay unmanned aerial vehicle (RUAV) to relay randomly deployed mission unmanned aerial vehicles (MiUAVs). Simulation results show that the proposed algorithm outperforms the conventional Euclidean k-mean algorithm.

국문 초록 (Abstract)

무인기를 이용한 공중중계는 지상파 중계통신과는 달리 가시선을 쉽게 확보할 수 있고 다중경로 페이딩의 영향이 작다. 또한, 위성중계보다 전송지연이 작고 유지보수 및 운용 비용이 매우 적은 장점이 있다. 그러나 대기 상태에 따른 경로 감쇠가 매우 클 뿐만 아니라, 이는 지향하는 고각이 낮아질수록 더 급격하게 증가한다. 따라서 데이터링크 시스템의 링크마진을 설계할 때는 운용 환경과 대기 가용확률에 따른 경로 손실을 반드시 고려해야 한다.
기존의 공용데이터링크 시스템에서는 대기 감쇠 분석에 위성통신용 전파 데이터 및 예측 기법을 활용하였다. 그러나 이 방법은 성층권 이하의 낮은 고도에서 운용하는 무인기 시스템에는 적합하지 않다.
본 논문에서는 위성통신용 경로감쇠 예측 모델을 기반으로 항공용 경로손실 예측에 사용하도록 권고하고 있는 ITU-R P.2041의 공대지 채널에 대한 경로손실 예측 모델을 소개하고, 가용확률에 따른 대기가스, 강우, 구름 및 섬광에 의한 경로손실 예측 결과를 합하여 대기에 의한 총 경로 손실을 산출한다. 또한, 공대지 채널에 대한 예측 모델을 공대공 채널로 확장함으로써, 장기체공 무인기의 운용조건을 고려한 무인기 공중중계 시스템에 대해서 가용확률에 따른 고도 별 작전반경 범위를 분석한다. 마지막으로 중계무인기가 무작위로 배치된 임무무인기에 대해서 최소의 SNR을 최대화하기 위해 유클리디안 k-평균화 알고리즘을 활용한 최적화 알고리즘을 제안한다. 그리고 모의실험을 통해 제안한 알고리즘이 기존의 유클리디안 k–평균화 알고리즘보다 성능이 우수함을 증명한다.