بهینه‌سازی توأم توان- مکان رله در شبکه‌های رله هوایی همکارانه برای G+5
الموضوعات :حمید امیری آرا 1 , محمدرضا ذهابی 2 , وحید مقدادی 3
1 - دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
2 - دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
3 - دانشگاه لیموژز فرانسه
الکلمات المفتاحية: شبکه‌های رله هوایی همکارانهرله هواییاحتمال خطای سمبل متوسطمخابرات نسل G+5,
ملخص المقالة :
شبکه‌های سلولی در نسل آینده G+5، نوید نرخ‌های بالای داده، خدمات آماده به کار در همه جا و انعطاف‌پذیری را می‌دهند. استفاده از ساختار شبکه‌های رله هوایی همکارانه (CARN) امکان گسترش پوشش شبکه، افزایش ظرفیت و ارتباط مطمئن‌تر را فراهم می‌نماید. این مقاله قصد دارد تا در یک شبکه CARN، اختصاص توان و محل قرارگیری رله هوایی (AR) تقویت و ارسال (AF) را با هدف به حداقل رساندن احتمال خطا بهینه نماید. برای دست‌یافتن به این اهداف، ابتدا احتمال خطای سمبل متوسط برای این سیستم در کانال ناکاگامی- m به ازای مدولاسیون‌های مختلف محاسبه می‌گردد. سپس سه سناریو در نظر گرفته می‌شود. ابتدا محل رله با هر نسبت تخصیص توان داده شده به منبع و رله، بهینه‌سازی می‌شود. دوم مسئله بهینه‌سازی تخصیص توان برای مکان‌های رله مختلف حل می‌شود. در نهایت، مسئله بهینه‌سازی توأم مکان بهینه رله و اختصاص توان بهینه که منجر به کارایی هرچه بیشتر سیستم می‌گردد، به صورت ریاضی بیان و الگوریتمی برای حل این مسئله پیشنهاد می‌شود. همچنین اثرات ارتفاع رله هوایی، فاکتور تضعیف و پارامتر محوشدگی کانال بر اختصاص توان و مکان رله هوایی بهینه در این مقاله بررسی شده است. در انتها شبیه‌سازی و نتایج عددی برای تأیید روابط تئوری ارائه گردیده که شبیه‌سازی‌ها بهره بیش از dB 1 را برای سیستم بهینه‌شده در مقایسه با سیستم غیر بهینه نشان می‌دهند.
[1] S. Kandeepan, et al., "Aerial-terrestrial communications: terrestrial cooperation and energy-efficient transmissions to aerial base stations," IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. 50, no. 4, pp. 2715-2735, Oct. 2014.
[2] M. Bacco, et al., "TCP-based M2M traffic via random-access satellite links: throughput estimation," IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. 55, no. 2, pp. 846-863, Apr. 2018.
[3] N. Nomikos, et al., "A UAV-based moving 5G RAN for massive connectivity of mobile users and IoT devices," Vehicular Communications, vol. 25, Article ID 100250, Oct. 2020.
[4] I. J. Jensen, D. F. Selvaraj, and P. Ranganathan, "Blockchain technology for networked swarms of unmanned aerial vehicles (UAVS)," in Proc. IEEE 20th Int. Symp. on A World of Wireless, Mobile and Multimedia Network, 7 pp., Washington, DC, USA, 10-12 Jun. 2019.
[5] S. Song, et al., "Analysis of wireless backhaul networks based on aerial platform technology for 6G systems," Computers, Materials and Continua, vol. 62, no. 2, pp. 473-494, 2020.
[6] G. Wu, X. Gao, and K. Wan, "Mobility control of unmanned aerial vehicle as communication relay to optimize ground-to-air uplinks," Sensors, vol. 20, no. 8, Article ID 2332, Apr. 2020.
[7] P. S. Bithas, E. T. Michailidis, N. Nomikos, D. Vouyioukas, and A. G. Kanatas, "A survey on machine-learning techniques for UAV-based communications," Sensors, vol. 19, no. 23, Article ID 5170, Dec. 2019.
[8] A. Al-Hourani, S. Kandeepan, and S. Lardner, "Optimal LAP altitude for maximum coverage," IEEE Wireless Commun. Lett., vol. 3, no. 6, pp. 569-572, Dec. 2014.
[9] J. Lyu, et al., "Placement optimization of UAV-mounted mobile base stations," IEEE Commun. Lett., vol. 21, no. 3, pp. 604-607, Mar. 2017.
[10] M. M. Azari, et al., "Optimal UAV positioning for terrestrial-aerial communication in presence of fading," in Proc. IEEE Global Commun. Conf., 7 pp., Washington, DC, USA, 4-8 Dec. 2016.
[11] M. Alzenad, et al., "3-D placement of an unmanned aerial vehicle base station (UAV-BS) for energy efficient maximal coverage," IEEE Wireless Commun. Lett., vol. 6, no. 4, pp. 434-437, Aug. 2017.
[12] J. S. Lee and K. H. Yu, "Optimal path planning of solar-powered UAV using gravitational potential energy," IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. 53, no. 3, pp. 1442-1451, Jun. 2017.
[13] F. Ono, H. Ochiai, and R. Miura, "A wireless relay network based on unmanned aircraft system with rate optimization," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 15, no. 11, pp. 7699-7708, Nov. 2016.
[14] D. H. Choi, S. H. Kim, and D. K. Sung, "Energy-efficient maneuvering and communication of a single UAV-based relay," IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. 50, no. 3, pp. 2320-2327, Jul. 2014.
[15] J. Chen and D. Gesbert, "Optimal positioning of flying relays for wireless networks: a LOS map approach," in Proc. IEEE Int. Conf. on Commun., ICC'17, 6 pp., Paris, France, 21-25 May 2017.
[16] E. Larsen, L. Landmark, and O. Kure, "Optimal UAV relay positions in multi-rate networks," Wireless Days, pp. 8-14, Porto, Portugal, 29-31 Mar. 2017.
[17] Y. Zeng, R. Zhang, and T. J. Lim, "Throughput maximization for UAV-enabled mobile relaying systems," IEEE Trans. Commun., vol. 64, no. 12, pp. 4983-4996, Dec. 2016.
[18] S. Zhang, et al., "Joint trajectory and power optimization for UAV relay networks," IEEE Commun. Lett., vol. 22, no. 1, pp. 161-164, Jan. 2018.
[19] E. T. Michailidis, et al., "Optimal relay location and opportunistic user scheduling for stratospheric communications," in Proc. Int. Conf. on Adv. in Sat. and Space Commun., 6 pp., Athens, Greece, Apr. 2018.
[20] Y. Chen, W. Feng, and G. Zheng, "Optimum placement of UAV as relays," IEEE Commun. Lett., vol. 22, no. 2, pp. 248-251, Feb. 2018.
[21] E. T. Michailidis, N. Nomikos, P. S. Bithas, D. Vouyioukas, and A. G. Kanatas, "Optimal 3-D aerial relay placement for multi-user MIMO communications," IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems, vol. 55, no. 6, pp. 3218-3229, Dec. 2019.
[22] ع. شیخ ویسی، ح. امیری و م. ر. ذهابی، "بهینه‌سازی توأم تخصیص توان و مکان رله در شبکه رله بی‌سیم با ارتباط چندآنتنه همکارانه،" مجموعه مقالات چهارمین کنفرانس ملی و دومین کنفرانس بین‌المللی پژوهش‌هایی کاربردی در مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک، 14 صص.، تهران، ایران، بهمن 1395.
[23] H. Amiri Ara, M. R. Zahabi, and Vahid Meghdadi, "Joint power-location optimization in AF cooperative relay systems with Nakagami-m channel," Physical Communication, vol. 40, Article ID 101067, Jum. 2020,
[24] M. Torabi, D. Haccoun, and W. Ajib, "Analysis of the performance of multiuser MIMO systems with user scheduling over Nakagami-m fading channels," Phys. Commun., vol. 3, no. 3, pp. 168-179, Sep. 2010.
[25] A. Goldsmith, Wireless Communications, Cambridge University Press, 2005.
[26] H. Amiri Ara, M. R. Zahabi, and Vahid Meghdadi, "Performance Analysis and Joint Power-Location Optimization for Downlink Cooperative Nomadic Relay Systems in 5G," Submitted to IEEE ACCESS, 21 Feb. 2021.
