Samo-optimalizující se mobilní sítě s UAV

Abstract

Bezpilotním letadlům (UAV) se v posledních letech věnuje velká pozornost v oblasti bezdrátové komunikace. Díky vysoké flexibilitě a přizpůsobivosti prostředí lze bezpilotní letadla využívat jako létající základnové stanice (FlyBS), které potenciálně mohou významně zlepšit výkonnost mobilních sítí. Takové potenciální zlepšení však vyžaduje efektivní správu dostupných zdrojů. Pro efektivní integraci FlyBS do mobilních sítí je třeba vyřešit zejména několik problémů, včetně určení polohy, spotřeby energie, přiřazení uživatelů k FlyBS a přidělení přenosového výkonu a šířky pásma kanálu uživatelům. Alokace/spotřeba energie je v sítích FlyBS kritickým aspektem, který by se mohl projevit ve všech uvedených výzvách. Zejména kvůli omezení přenosového výkonu, je nutné FlyBS změnit polohu, aby nedošlo k nežádoucí ztrátě výkonu systému. Přemístění by navíc mohlo být zapotřebí buď ke snížení vzdálenosti mezi FlyBS a uživatelem, nebo k zajištění lepšího kanálu mezi FlyBS a uživatelem. Takové posunutí FlyBS by znamenalo spotřebu pohonné energie. Existuje tedy potenciální kompromis mezi přenosovou a pohonnou energií. Proto by z hlediska spotřeby energie mohla být úspora pohonné energie výhodnější vzhledem k omezením baterie FlyBS. Nicméně z hlediska konektivity uživatele přidělení přenosového výkonu je klíčovým aspektem. Cílem této disertační práce je prozkoumat nasazení FlyBS v mobilních sítích z různých pohledů s ohledem na význam energie na výkon komunikace. Mezi naše zkoumané problémy patří přenosová/pohonná/celková spotřeba energie, délka pokrytí uživatele, maximalizace součtové kapacity a maximalizace minimální kapacity uživatele. Zvažuje se řada praktických omezení, jako je maximální limit přenosového/pohonného výkonu FlyBS, rychlost, zrychlení, dostupná baterie a nadmořská výška. Další omezení související s metrikami sítě zahrnují kapacitu jednotlivých uživatelů, součtovou kapacitu sítě a kapacitu zpětného spoje. Klíčovou roli hrají také různé modely a předpoklady systému, ke kterým patří i) ortogonální a neortogonální vícenásobný přístup (OMA, resp. NOMA) spolu se souvisejícími aspekty, jako je seskupování uživatelů NOMA a určení pořadí dekódování uživatelů při postupném rušení (SIC), a ii) vícenásobné spojení mezi FlyBS a pozemní základnovou stanicí (GBS) prostřednictvím relačních FlyBS na zpětném spoji. Ve snaze poskytnout komplexní výzkum v oblasti komunikace s pomocí FlyBS je v rámci této disertační práce zpracováno několik samostatných prací. Jsou navržena nová řešení a poskytnuta srovnání s nejnovějšími technologiemi. Výsledky ukazují potenciální účinnost FlyBS a podporují šetrnější využití zdrojů v síti.

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have received an extensive attention in wireless communications in the recent years. Due to a high flexibility and adaptability to the environment, UAVs can be regarded as flying base stations (FlyBSs) that potentially bring a significant enhancement in the performance of mobile networks. Such potential enhancements, however, are essentially subject to an effective management of available resources. In particular, several challenges are required to be addressed to efficiently integrate FlyBSs into mobile networks, including positioning, power consumption, association of users to the FlyBSs, and allocation of transmission power and channel bandwidth to the users. Power allocation/consumption is a critical aspect that could directly manifest in those mentioned challenges. In particular, due to transmission power limitations, the FlyBS would require to relocate in order to avoid unwanted loss in the system's performance. Furthermore, a relocation might also be required either to reduce the distance between the FlyBS and the user, or to access better FlyBS-to-user channel conditions. Such displacements of the FlyBS would basically incur a propulsion energy consumption. Thus, there is a potential trade-off between the transmission and propulsion power consumptions. From the perspective of power consumption, saving the propulsion energy could be more crucial due to limitations on the FlyBS's battery. Nevertheless, from the perspective of user's connectivity, the transmission power allocation is the key aspect. In the view of the significance of energy on the communication's performance, this dissertation is dedicated to investigating the deployment of FlyBSs in mobile networks from various major aspects while with a consideration of power in one way or another. Such aspects include transmission/propulsion/total power consumption, user coverage duration, sum capacity maximization, and minimum user's capacity maximization. Several practical constraints are considered, such as the FlyBS's maximum transmission/propulsion power limit, speed, acceleration, available battery, and altitude. Other constraints related to the network's metrics include individual user's capacity, network's sum capacity, and backhaul link capacity. A variety of system models and assumptions also play key roles in the network, including i) communication mode, i.e., orthogonal and non-orthogonal multiple access (OMA and NOMA, respectively) together with related aspects such as NOMA user clustering and determination of user decoding order in the successive-interference-cancellation (SIC), and ii) multi-hop connection between the FlyBSs and the ground base station (GBS) via relaying FlyBSs on the backhaul link. In an attempt to provide comprehensive research in the area of FlyBS communications, several works are carried out separately in the framework of this PhD dissertation. Novel solutions are proposed, and benchmarks against the state-of-the-art are provided. The results demonstrate the potential of FlyBSs and encourage a more tactful utilization of resources.