Aerial platforms utilization for future networks

Abstract

Challenges facing the next generation of communication systems include utilizing the wireless networks in the rural areas and disaster situations, as well as the requirements of high capacity services and connectivity wherever, whenever, and however necessary. With the limitations on the current terrestrial and satellite backbones, utilizing the aerial platforms as a spine of wireless communication is a promising solution. For disastrous scenarios, we address the issue of optimizing the location of aerial base stations (ABS) to provide minimum power consumption due to path-loss. We propose an algorithm that dynamically positions ABS in low altitude platform (LAP) by moving the ABS between multiple points within the whole coverage area. Furthermore, we derive the outage probability formula for each user to measure how much gain this algorithm can offer. For improving the performance of wireless communication in future networks, we study the behavior of the aerial heterogeneous networks that utilize high and low altitude platforms (HAPs, LAPs) working on the same network as macro- and femto- cells, respectively. For that model, we derive the coverage probability for the signal to interference ratio (SIR) in the cases where, either the downlink channels are correlated or uncorrelated with respect to shadowing. The results show the coverage was enhanced due to the effect of correlated shadowing between HAPs and LAPs coverage area. Also, for each user, we use the previous scenario to determine the probability of being associated with either one of the HAP or LAP. From the association probability, we derive the cell load of each ABS. After that, we develop a framework of the outage probability for a target user for a certain platform. Finally, we propose a dynamic placement algorithm for LAPs ABSs, to achieve load balancing and improve the quality of service (QoS) for overall users. We show, through simulation results, that the algorithm provides considerable gains over static aerial cellular networks.

Yeni nesil iletişim sistemlerinin karşılaştıkları zorluklar arasında, kırsal alanlarda ve felaket durumlarında kablosuz ağların kullanılması ile nerede, ne zaman ve nasıl olursa olsun yüksek kapasiteli hizmetlerin ve bağlantıların gereklilikleri yer almaktadır. Mevcut yerleşik karasal ve uydu haberleşmelerindeki sınırlamalardan dolayı kablosuz iletişimin bir temel taşı olarak hava platformlarını kullanmak umut verici bir çözümdür. ABS'yi alçak irtifa platformunda (LAP) dinamik olarak konumlandıran ve tüm kapsama alanı içinde birçok nokta arasında hareket ettiren bir algoritma önerdik. Ayrıca, bu algoritmanın ne kadar kazanç sağlayabileceğini ölçmek için her kullanıcı için kesinti olasılık formülünü türettik. Gelecekteki ağlarda kablosuz iletişim performansını artırmak için, aynı ağ üzerinde çalışan yüksek ve alçak irtifa platformlarını (HAP'ler, LAP'ler) kullanan hava heterojen ağlarının davranışlarını makro ve femto hücrelerde inceledik. Bu model için, uydu-yer hattı(downlink) kanallarının gölgelemeyle ilişkili ya da ilişkisiz olduğu durumlarda sinyal-girişim oranını (SIR) kapsama olasılığını elde ettik. Sonuçlar, HAP ve LAP'ların kapsama alanları arasındaki korelasyonlu gölgelemenin etkisiyle geliştirilmiş göstermektedir. Ayrıca, her kullanıcı için, stokastik geometri kullanarak ilişkili olma olasılığını belirlemek için önceki senaryoyu kullandık. Ilişkilendirme olasılığından, her bir ABS'nin hücre yükünü kullandık. Sonrasında ise belirli bir platform ve hedef kullanıcı için kesinti olasılığının çerçevesini belirledik. Son olarak, HAP kapsama alanındaki yük dengelemeyi sağlamak ve genel kullanıcılar için hizmet kalitesini (QoS) iyileştirmek için LAP'lerin oluşturduğu hücrelerde dinamik bir yerleştirme ve boyutlandırma algoritması önerdik. Simülasyon sonuçları aracılığıyla, algoritmanın statik hava hücresel ağları üzerinde önemli kazançlar sağladığını gösterdik.