In this thesis, we address the energy-efficient 3D placement of unmanned aerial vehicle mounted base station (UAV-BS) that is capable of tilting adjustably its directional antenna. In other words, we attempt to find the optimal UAV-BS 3D location to support ground users (GUs), with minimum UAV-BS total energy consumption (TEC). The 3D placement problem is converted into a 2D placement problem without any loss of optimality, by obtaining the minimum altitude based on the elliptical wireless coverage characteristics formed on the ground by the tilted antenna. We apply the gradient descent algorithm (GDA) to minimize the TEC of the UAV-BS, in order to solve the 2D placement problem. Simulation results show that the GDA performs very close to the 2D exhaustive search method, for finding the optimal UAV-BS placement, and the optimal UAV-BS 3D placement is variant depending on the throughput requirement and GU density. We also verify that our proposed antenna tilt method achieves significant TEC savings compared to the vertical UAV-BS service case without antenna tilting, and fixed antenna tilt angle cases. Furthermore, when single or multiple UAV-BSs are operated according to the increase in the size of the region in which GUs are distributed, we provide the insight and guideline for UAV-BS operation considering the UAV-BS energy capacity by verifying energy-efficient 3D placement, and analyzing the system TEC.
이 논문에서는 지향성 안테나를 조절할 수 있게 기울일 수 있는 무인 항공기 기지국의 에너지 효율적인 3차원 배치를 다루었다. 즉, 최소 무인 항공기 기지국의 전체 에너지 소비로 지상 사용자들을 지원하는 최적 3차원 위치를 찾는다. 기울어진 안테나에 의해 지상에 생성되는 타원 무선범위 특성을 기반으로 최소 고도를 획득하여 최적성 손실없이 3차원 배치 문제를 2차원 배치 문제로 변환하였다. 2차원 배치 문제 해결을 위해 전체 에너지 소비를 최소화시키는 경사 하강 알고리즘을 적용하였다. 모의실험 결과, 경사 하강 알고리즘은 최적의 무인 항공기 배치를 찾기 위해 2차원 철저한 검색 방법과 매우 근접하게 동작하였고, 최적 무인 항공기 기지국 3차원 배치는 데이터량 및 지상 사용자 밀도에 따라 달라진다는 것을 확인하였다. 제안된 안테나 기울기 방법은 안테나 기울기가 없는 수직 무인 항공기 기지국 서비스 경우 및 고정된 안테나 기울기 각도 경우와 비교 시 전체 에너지 소비를 크게 절약할 수 있었다. 또한, 지상 사용자들이 분포하는 영역 크기 증가에 따른 단일 또는 다중 무인 항공기 기지국들 운용 시 에너지 효율적인 3차원 배치 확인 및 시스템 전체 에너지 소비량을 분석하여 무인 항공기 기지국 에너지 용량을 고려한 무인 항공기 기지국 운용에 대한 이해와 지침을 제공한다.
