بهینه‌سازی توأم توان- مکان رله در شبکه‌های رله هوایی همکارانه برای G+5
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوتر
حمید امیری آرا
1
(دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل)
محمدرضا ذهابی
2
(دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل)
وحید مقدادی
3
(دانشگاه لیموژز فرانسه)
کلید واژه: شبکه‌های رله هوایی همکارانهرله هواییاحتمال خطای سمبل متوسطمخابرات نسل G+5,
چکیده مقاله :
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.
Future cellular networks 5G+ promise high data rates, ubiquitous services everywhere and flexibility. Cooperative airborne relay networks (CARNs) is a promising system architecture that enables network coverage extension and reliability enhancement. This article determined the optimum relay location and allocate optimal power to minimize the average symbol error rate (ASER) of an aerial platform CRS with amplify-and-forward relaying protocol (AF-CRS) in the Nakagami-m fading channel. To achieve this goal, the ASER for the AF-CRS in the Nakagami-m channel for different modulations is calculated firstly. Then, we consider three scenarios. First, the optimal location of the AF relay with a given power allocation for the source and relay is determined. Second, the problem of optimizing power allocation for different relay locations is solved. Eventually, an algorithm for joint optimizing the power-location that leads to more efficient system operation is proposed. Also, we investigate the effect of the path-loss exponent, channel fading parameter, and relay altitude on the optimal relay location in the CARS. Finally, Simulations and numerical results are presented, that confirm the theoretical achievements and simulations show a more than 1 dB gain for the optimized system versus the non-optimized system.
[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.