Gelecek nesil hücresel ağlarda çoklu İnsansız Hava Aracı Baz İstasyonlarının 3D konum optimizasyonu ve yeni bir Meta-sezgisel yaklaşım

Yıl 2021, Cilt: 36 Sayı: 3, 1467 - 1482, 24.05.2021

Recep Özdağ

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.716111

Cited By: 1

Öz

Kablosuz iletişimde İnsansız Hava Araçları (UAVs)’nın mobil Baz İstasyonları (BSs) olarak kullanılması gelecek nesil hücresel ağlarda veya afet durumlarında planlanan hizmetler için kullanılması gereken etkin bir teknik olarak ortaya çıkmaktadır. Günümüzde Alçak-irtifa Hava Platform (LAP)’ları olarak da isimlendirilen UAV’ler veya Drone’lara monte edilen BS (UAV-BS)’lerin ilgili alanda üçboyutlu (3D) yerleşimlerinin etkin bir şekilde yapılması kablosuz iletişimde Servis Kalitesi (QoS)’ni önemli oranda artırmaktadır. Bu çalışmada, Havadan Yere (ATG) modeline göre tanımlanan kentsel ortamda belirli bir mesafe aralıkları ile konumlandığı varsayılan alıcı (kullanıcı ekipmanı)’ların optimum oranda kapsanması için alandaki çoklu UAV-BS’lerin 3D dinamik dağılımlarının (konum optimizasyonu) yapılması amaçlanmıştır. Bu amaçla; Elektromanyetizma-Benzer (EML) algoritmasını esas alan Geniş Aralıklı Optimum Uygunluk Arama Algoritması (EOFSA-EML) ve Ayrık Aralıklı Optimum Uygunluk Arama Algoritması (DOFSA-EML) geliştirilmiştir. Yapılan Monte-Carlo simülasyonlarına göre; EOFSA-EML tarafından yapılan çoklu UAV-BS’lerin dinamik dağılımlarında alandaki UE’lerin maksimum sayıda kapsandığı ve alandaki ortalama kapsanma oranının optimum olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, UAV-BS’lerin konumlandığı irtifa değişim aralıklarının minimum olması EOFSA-EML tarafından daha kararlı dinamik dağılım yapıldığını göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

Alçak-irtifa hava platformu (LAP), insansız hava araçları baz istasyonu (UAV-BS), optimum irtifa, dinamik dağılım, elektromanyetizma-benzer algoritması (EML)

Kaynakça

• Bupe P., Haddad R., Rios-Gutierrez F., Relief and emergency communication network based on an autonomous decentralized UAV clustering network, Proceedings of the IEEE SoutheastCon 2015, Florida-USA ,1-8, 9-12 April, 2015.
• Bor-Yaliniz R.I., El-Keyi A., Yanikomeroglu H., Efficient 3-D Placement of an Aerial Base Station in Next Generation Cellular Networks, 2016 IEEE International Conference on Communications (ICC), Kuala Lumpur-Malaysia, 1-5, 23-27 May, 2016.
• Bor-Yaliniz R.I., Yanikomeroglu H., The New Frontier in RAN Heterogeneity: Multi-Tier Drone-cells, IEEE Commun. Mag., 54 (11), 48–55, 2016.
• Mozaffari M., Saad W., Bennis M., Debbah M., Drone Small Cells in the Clouds: Design, Deployment and Performance Analysis, 2019 IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM), San Diego-USA, 1-6, 6-10 December, 2015.
• Hu B., Wang C., Chen S., Wang L., Yang H., Proactive Coverage Area Decisions Based on Data Field for Drone Base Station Deployment, Sensors, 18 (11), 1-14, 2018.
• Al-Hourani A., Kandeepan S., Jamalipour A., Modeling Air-to-Ground Path Loss for Low Altitude Platforms in Urban Environments, 2014 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), Austin-USA, 2898-2904, 8-12 December, 2014.
• Feng Q., Tameh E.K., Nix A.R., McGeehan J., Modelling the Likelihood of Line-of-Sight for Air-to-Ground Radio Propagation in Urban Environments, 2006 IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM), San Francisco-USA, 1-5, 27 November-1 December, 2006.
• Feng Q., McGeehan J., Tameh E.K., Nix A.R., Path Loss Models for Air-to-Ground Radio Channels in Urban Environments, 2006 IEEE Vehicular Technology Conference (VTC), Melbourne-Australia, 2901-2905, 7-10 May, 2006.
• Holis J., Pechac P., Elevation Dependent Shadowing Model for Mobile Communications via High Altitude Platforms in Built-Up Areas, IEEE Trans. Antennas Propag., 56 (4), 1078-1084, 2008.
• Al-Hourani A., Kandeepan S., Lardner S., Optimal LAP Altitude for Maximum Coverage, IEEE Wireless Commun. Lett., 3 (6), 569-572, 2014.
• Kalantari E., Shakir M.Z., Yanikomeroglu H., Yongacoglu A., Backhaul-aware Robust 3D Drone Placement in 5G+ Wireless Networks, 2017 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops), Paris-France, 109-114, 21-25 May, 2017.
• Wang L., Hu B., Chen S., Energy Efficient Placement of a Drone Base Station for Minimum Required Transmit Power, IEEE Wireless Commun. Lett., to be published (accepted), 2018.
• Lyu J., Zeng Y., Zhang R., Lim T.J., Placement Optimization of UAV-Mounted Mobile Base Stations, IEEE Commun. Lett., 21 (3), 604-607, 2017.
• Dyer M.E., Frieze A.M., The solution of some random NP-hard problems in polynomial expected time, Journal of Algorithms,10 (4), 451-489, 1989.
• Gupta L., Jain R., Vaszkun G., Survey of Important Issues in UAV Communication Networks, IEEE Commun. Surv. Tutorials,18 (2), 1123-1152, 2016.
• Kandeepan S., Gomez K., Reynaud L., Rasheed T., Aerial-Terrestrial Communications: Terrestrial Cooperation and Energy-Efficient Transmissions to Aerial Base Stations, IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., 50 (4), 2715-2735, 2014.
• Rohde S., Putzke M., Wietfeld C., Ad hoc self-healing of OFDMA networks using UAV-based relays, Ad Hoc Networks, 11 (7), 1893-1906, 2013.
• Li X., Guo D., Yin H., Wei G., Drone-Assisted Public Safety Wireless Broadband Network, 2015 IEEE Wireless Communications and Networking Conference Workshops (WCNCW), New Orleans-USA, 323-328, 9-12 March, 2015.
• Alzenad M., El-Keyi A., Lagum F., Yanikomeroglu H., 3-D Placement of an Unmanned Aerial Vehicle Base Station (UAV-BS) for Energy-Efficient Maximal Coverage, IEEE Wireless Commun. Lett., 6 (4), 434-437, 2017.
• Kalantari E., Yanikomeroglu H., Yongacoglu A., On the Number and 3D Placement of Drone Base Stations in Wireless Cellular Networks, 2016 IEEE Vehicular Technology Conference (VTC-Fall), Montreal-Canada, 1-6, 18-21 September, 2016.
• Alzenad M., El-Keyi A., Yanikomeroglu H., 3-D Placement of an Unmanned Aerial Vehicle Base Station for Maximum Coverage of Users with Different QoS Requirements, IEEE Wireless Commun. Lett., 7 (1), 38-41, 2018.
• Shi W., Li J., Xu W., Zhou H., Zhang N., Shen X., 3D Drone-Cell Deployment Optimization for Drone Assisted Radio Access Networks, 2017 IEEE/CIC International Conference on Communications in China (ICCC), Qingdao-China, 1-6, 22-24 October, 2017.
• He X., Yu W., Xu H., Lin J., Yang X., Lu C., Fu X., Towards 3D Deployment of UAV Base Stations in Uneven Terrain, 2018 27th International Conference on Computer Communication and Networks (ICCCN), Hangzhou-China, 1-9, 30 July-2 August, 2018.
• Özdağ R., Yanikomeroglu H., A New Meta-heuristic Approach for 3D Placement of Multiple Unmanned Aerial Vehicle Base Stations in Wireless Networks, International Conference on Data Science, Machine Learning and Statistics – 2019, Van-Turkey, 64-66, 26-29 June, 2019.
• Özdağ R., Karcı A., Sensor Node Deployment Based on Electromagnetism-Like Algorithm in Mobile Wireless Sensor Networks, Int. J. Distrib. Sens. Netw., 11 (2), 1-15, 2015.
• Özdağ R., Karcı A., Probabilistic dynamic distribution of wireless sensor networks with improved distribution method based on electromagnetism-like algorithm, Measurement, 79, 66-76, 2016.
• Birbil S.I., Fang S.C., An Electromagnetism-like Mechanism for Global Optimization, J. Global Optim., 25 (3), 263-282, 2003.