최근 도심항공교통(Urban Air Mobility)은 도시교통 및 항공 시스템에 혁신을 가져올 신기술로 주목받고 있다. 도심항공교통 시스템은 조종사 없이 완전 자율 비행을 추구하기 때문에 비행 제어신호, 항법 및 안전정보의 전달을 담당하는 무선통신이 핵심 기능이다. 끊김없이 지속적인 링크 안정성을 확보하여 명령 및 제어 메시지를 수신할 수 있도록 도심항공교통 네트워크를 구성해야 한다. 그런데도 많은 선행 연구들은 도시 지역의 셀 가장자리 및 ...
최근 도심항공교통(Urban Air Mobility)은 도시교통 및 항공 시스템에 혁신을 가져올 신기술로 주목받고 있다. 도심항공교통 시스템은 조종사 없이 완전 자율 비행을 추구하기 때문에 비행 제어신호, 항법 및 안전정보의 전달을 담당하는 무선통신이 핵심 기능이다. 끊김없이 지속적인 링크 안정성을 확보하여 명령 및 제어 메시지를 수신할 수 있도록 도심항공교통 네트워크를 구성해야 한다. 그런데도 많은 선행 연구들은 도시 지역의 셀 가장자리 및 커버리지 구멍에서 발생하는 저품질의 통신링크 문제를 해결하지 않고 평균 성능 향상에만 집중하였다. 본 논문에서는 3차원 도시 환경에서 통신링크 신뢰성을 저해하는 요인을 파악하고, 도심항공교통이 시공간의 관계없이 제어 메시지를 수신할 수 있도록 안테나 구성, 자원 활용, 전송 전략을 제안한다. 첫째, 확률적 기하학 모델링을 통해 도시 건물에 의한 신호차단 효과를 분석한다. 건물의 모양, 높이, 밀도에 따라 신호차단확률을 계산하고, 수신신호의 커버리지 및 신뢰도 성능을 도출한다. 낮은 신뢰도 영역을 극복하기 위해 도심항공교통 네트워크 운영을 위한 가) 안테나 기울기 최적화, 나) 다중 계층 빔을 사용한 주파수 재사용, 다) 마스터에 의한 보조 전송의 세 가지 방법을 제안한다. 최적의 안테나 기울기를 통해 제어신호가 모든 지역에 고르게 전송될 수 있도록 하며, 다중 계층 빔을 사용한 주파수 재사용은 높은 고도에서 강한 가시선(LOS) 간섭을 줄이는 역할을 한다. 마지막으로 마스터를 활용한 보조 전송은 커버리지 구멍에 위치한 도심항공교통수단을 지원한다. 시스템 수준 실험(System-Level Simulation)에서는 3차원 이동성을 가지는 도심항공교통 특성을 반영하여 네트워크의 커버리지 및 신뢰도 성능을 평가한다. 제안한 세 가지 운영 방법을 모두 종합적으로 적용하면 네트워크가 99.9 %까지 링크 신뢰도를 얻을 수 있음을 보여준다.
최근 도심항공교통(Urban Air Mobility)은 도시교통 및 항공 시스템에 혁신을 가져올 신기술로 주목받고 있다. 도심항공교통 시스템은 조종사 없이 완전 자율 비행을 추구하기 때문에 비행 제어신호, 항법 및 안전정보의 전달을 담당하는 무선통신이 핵심 기능이다. 끊김없이 지속적인 링크 안정성을 확보하여 명령 및 제어 메시지를 수신할 수 있도록 도심항공교통 네트워크를 구성해야 한다. 그런데도 많은 선행 연구들은 도시 지역의 셀 가장자리 및 커버리지 구멍에서 발생하는 저품질의 통신링크 문제를 해결하지 않고 평균 성능 향상에만 집중하였다. 본 논문에서는 3차원 도시 환경에서 통신링크 신뢰성을 저해하는 요인을 파악하고, 도심항공교통이 시공간의 관계없이 제어 메시지를 수신할 수 있도록 안테나 구성, 자원 활용, 전송 전략을 제안한다. 첫째, 확률적 기하학 모델링을 통해 도시 건물에 의한 신호차단 효과를 분석한다. 건물의 모양, 높이, 밀도에 따라 신호차단확률을 계산하고, 수신신호의 커버리지 및 신뢰도 성능을 도출한다. 낮은 신뢰도 영역을 극복하기 위해 도심항공교통 네트워크 운영을 위한 가) 안테나 기울기 최적화, 나) 다중 계층 빔을 사용한 주파수 재사용, 다) 마스터에 의한 보조 전송의 세 가지 방법을 제안한다. 최적의 안테나 기울기를 통해 제어신호가 모든 지역에 고르게 전송될 수 있도록 하며, 다중 계층 빔을 사용한 주파수 재사용은 높은 고도에서 강한 가시선(LOS) 간섭을 줄이는 역할을 한다. 마지막으로 마스터를 활용한 보조 전송은 커버리지 구멍에 위치한 도심항공교통수단을 지원한다. 시스템 수준 실험(System-Level Simulation)에서는 3차원 이동성을 가지는 도심항공교통 특성을 반영하여 네트워크의 커버리지 및 신뢰도 성능을 평가한다. 제안한 세 가지 운영 방법을 모두 종합적으로 적용하면 네트워크가 99.9 %까지 링크 신뢰도를 얻을 수 있음을 보여준다.
Recently, urban air mobility (UAM) has attracted attention as an emerging technology that will bring innovation to urban transportation and aviation systems. Since the UAM systems pursue fully autonomous flight without a pilot, wireless communication is a key function not only for flight control sig...
Recently, urban air mobility (UAM) has attracted attention as an emerging technology that will bring innovation to urban transportation and aviation systems. Since the UAM systems pursue fully autonomous flight without a pilot, wireless communication is a key function not only for flight control signals, but also for navigation and safety information. The UAM networks must be configured so that the UAM can receive command and control (C2) messages by securing continuous link stability without any interruptions. Nevertheless, a lot of prior works have focused only on improving the average performance without solving the low-reliability in the cell edges and coverage holes of urban areas. In this dissertation, we identify the factors that hinder the communication link reliability in considering three-dimensional (3D) urban environments and propose an antenna configuration, resource utilization, and transmission strategy to enable UAM to receive C2 messages regardless of time and space. First, through stochastic geometry modeling, we analyze the signal blockage effects caused by the urban buildings. The blockage probability is calculated according to the shape, height, and density of the buildings, and the coverage probability of the received signal is derived by reflecting the blockage events. Furthermore, the low-reliability area is identified by analyzing the coverage performance according to the positions of the UAMs. To overcome the low-reliability region, we propose three methods for UAM network operation: i) optimization of antennas elevation tilting, ii) frequency reuse with multi-layered narrow beam, and iii) assistive transmissions by the master UAM. To be specific, the optimal antenna tilting allow the C2 signal to be transmitted evenly to all regions, and the frequency reuse with multi-layered narrow beam is effective in reducing strong line of sight (LOS) interference at high altitudes. Lastly, the proposed master UAM transmission is designed to support UAMs located in the coverage hole. Through system-level simulation (SLS), we evaluate the coverage and reliability performance of the proposed UAM network operation considering 3D UAM mobility. We demonstrate that the UAM network can improve the link reliability up to 99.9 % when all three proposed operation methods are applied comprehensively.
Recently, urban air mobility (UAM) has attracted attention as an emerging technology that will bring innovation to urban transportation and aviation systems. Since the UAM systems pursue fully autonomous flight without a pilot, wireless communication is a key function not only for flight control signals, but also for navigation and safety information. The UAM networks must be configured so that the UAM can receive command and control (C2) messages by securing continuous link stability without any interruptions. Nevertheless, a lot of prior works have focused only on improving the average performance without solving the low-reliability in the cell edges and coverage holes of urban areas. In this dissertation, we identify the factors that hinder the communication link reliability in considering three-dimensional (3D) urban environments and propose an antenna configuration, resource utilization, and transmission strategy to enable UAM to receive C2 messages regardless of time and space. First, through stochastic geometry modeling, we analyze the signal blockage effects caused by the urban buildings. The blockage probability is calculated according to the shape, height, and density of the buildings, and the coverage probability of the received signal is derived by reflecting the blockage events. Furthermore, the low-reliability area is identified by analyzing the coverage performance according to the positions of the UAMs. To overcome the low-reliability region, we propose three methods for UAM network operation: i) optimization of antennas elevation tilting, ii) frequency reuse with multi-layered narrow beam, and iii) assistive transmissions by the master UAM. To be specific, the optimal antenna tilting allow the C2 signal to be transmitted evenly to all regions, and the frequency reuse with multi-layered narrow beam is effective in reducing strong line of sight (LOS) interference at high altitudes. Lastly, the proposed master UAM transmission is designed to support UAMs located in the coverage hole. Through system-level simulation (SLS), we evaluate the coverage and reliability performance of the proposed UAM network operation considering 3D UAM mobility. We demonstrate that the UAM network can improve the link reliability up to 99.9 % when all three proposed operation methods are applied comprehensively.
주제어
#Urban Air Mobility 3D Urban Modeling Link Reliability Improvement
학위논문 정보
저자
Hyunsoo Kim
학위수여기관
연세대학교, 일반대학원
학위구분
국내박사
학과
전기전자공학과
지도교수
홍대식
발행연도
2021
총페이지
ix, 63p.
키워드
Urban Air Mobility 3D Urban Modeling Link Reliability Improvement
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