Novel resource allocation techniques for 5G/B5G integrated satellite-aerial-terrestrial networks

Abstract

In the era of rapid digital transformation, the multitude of communication-demanding applications and services necessitates the existence of networks that will ensure seamless and efficient communication. The prompt increase in demand for these applications and services requires the development of robust, modular, reliable, and high-performance networks to support and enjoy the enhanced experience that these applications can provide. However, currently deployed terrestrial wireless networks cannot fully cope with the growing demands and design needs of next-generation communication systems. Limited coverage, difficulty adapting to user mobility, and high pressure due to increased demand for services and applications are significant challenges that the wireless terrestrial networks of the future will face. In this context, the seamless integration of satellite and aerial networks with the terrestrial infrastructure is considered a promising solution to address the above challenges and enhance the performance of next-generation communication systems. Satellites can complement terrestrial networks by providing extended coverage to even the most remote and underserved areas. Moreover, the combination of satellite and terrestrial networks is able to tackle massive connectivity issues through the development and use of advanced offloading and load-balancing techniques. Regarding aerial networks, they can be easily adapted to every communication need, serving areas of interest on-demand and thus overcoming the increased mobility problems. Consequently, the integration of space, aerial, and terrestrial networks can provide several degrees of freedom. However, the integration process involves several issues that should be carefully considered and resolved to provide a holistic solution. In this direction, this thesis provides new communication frameworks and solutions for the effective integration of satellite, aerial, and terrestrial networks in the context of Fifth-Generation (5G) networks and Beyond 5G (B5G). More specifically, Chapter 1 lays the groundwork by presenting technological advancements in satellite communications and the new space era. In addition, it highlights the importance of satellites in the context of B5G networks, providing a detailed overview of the Hybrid Satellite-Terrestrial Networks (HSTNs) and the Integrated Satellite-Aerial-Terrestrial Networks (ISATNs). The chapter also presents current research and development efforts as well as industrial initiatives, emphasizing several key technologies for the efficient operation of the HSTNs and ISATNs. Then, in Chapter 2, an innovative resource allocation and cooperative transmission approach is introduced, aiming at the seamless integration of satellite and terrestrial networks. Also, in this chapter, the network topology under consideration is described, the optimization problem is formulated in detail, and the proposed technique, which utilizes the Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) and Device-to-Device (D2D) communication technologies, is analyzed. Furthermore, extensive computer simulations and performance comparisons of the proposed scheme with conventional transmission schemes are conducted, proving its effectiveness. Next, Chapter 3 introduces a novel communication solution that effectively combines NOMA technology with Network Coding (NC) in a multi-user HSTN environment. The proposed approach simplifies network operations by reducing the complexity associated with acquiring and processing Channel State Information (CSI) while effectively addressing the challenges posed by imperfect Successive Interference Cancellation (SIC) in NOMA. The chapter also provides a comprehensive overview of the network topology under consideration, along with a detailed formulation of the transmission problem in HSTN settings and the proposed solution. Furthermore, extensive computer simulations are offered to evaluate the performance of the proposed system, demonstrating its superiority over conventional approaches. In Chapter 4, an innovative resource allocation scheme is presented, aiming at the effective integration of satellite, aerial, and terrestrial networks through a hybrid transmission approach that combines the NOMA technique with Orthogonal Multiple Access (OMA). Also, this chapter presents the network architecture under consideration, and the cooperative transmission problem and the proposed solution are formulated in detail. Additionally, an innovative unsupervised Machine Learning (ML) approach is introduced to position the aerial platform in the best way to provide increased performance regarding Air-to-Ground (A2G) communication links. Additionally, Chapter 4 offers realistic computer simulations to evaluate the performance of the proposed transmission scheme. Then, in Chapter 5, an innovative communication solution is presented to address the connectivity challenges and ensure extensive coverage in the frame of Sixth Generation (6G) ISATNs. Therefore, this chapter introduces a new cooperative transmission scheme between satellite and aerial networks, which effectively combines NOMA with NC for a multi-user ISATN configuration. The network topology is described, and the cooperative transmission problem and proposed technique are formulated in detail. In addition, the chapter introduces an Artificial Intelligence (AI)-based method to optimally place the aerial base station in the area of interest, thus further improving the network performance. Furthermore, realistic computer simulations using known satellite constellations and channel models are performed to evaluate the performance of the proposed scheme. Finally, Chapter 6 provides the conclusions of the present thesis and several future directions.

Στην εποχή του τάχιστου ψηφιακού μετασχηματισμού, η πληθώρα απαιτητικών εφαρμογών και υπηρεσιών, από επικοινωνιακής πλευράς, καθιστά αναγκαία την ύπαρξη δικτύων που θα εξασφαλίζουν την απρόσκοπτη και αποδοτική επικοινωνία. H ραγδαία αύξηση δε αναφορικά με τη ζήτηση των συγκεκριμένων εφαρμογών και υπηρεσιών απαιτεί την ανάπτυξη εύρωστων, αρθρωτών, αξιόπιστων και υψηλών επιδόσεων δικτύων με σκοπό την υποστήριξη και την αξιοποίηση της ενισχυμένης εμπειρίας που δύνανται οι εφαρμογές αυτές να παρέχουν. Ωστόσο, τα επίγεια ασύρματα δίκτυα του σήμερα αδυνατούν στο να αντεπεξέλθουν πλήρως στις αυξανόμενες απαιτήσεις και στις σχεδιαστικές ανάγκες των συστημάτων επικοινωνίας ύστερων γενεών. Η περιορισμένη κάλυψη, η αδυναμία προσαρμογής στην κινητικότητα των χρηστών και η υψηλή πίεση λόγω αυξημένης ζήτησης υπηρεσιών και εφαρμογών αποτελούν σημαντικές προκλήσεις που καλούνται να αντιμετωπίσουν τα ασύρματα επίγεια δίκτυα του μέλλοντος. Σε αυτό το πλαίσιο, η απρόσκοπτη ενοποίηση δορυφορικών και εναέριων δικτύων με την επίγεια υποδομή, θεωρείται μια πολλά υποσχόμενη λύση για την αντιμετώπιση των ανωτέρω προκλήσεων και την ενίσχυση της απόδοσης των συστημάτων επικοινωνίας των επόμενων γενεών. Οι δορυφόροι δύνανται να συμπληρώσουν τα επίγεια δίκτυα παρέχοντας εκτεταμένη κάλυψη ακόμη και στις πιο απομακρυσμένες και υποεξυπηρετούμενες περιοχές. Επιπρόσθετα, ο συνδυασμός δορυφορικών και επίγειων δικτύων, είναι σε θέση να αντιμετωπίσει τις τεράστιες απαιτήσεις συνδεσιμότητας, μέσω της ανάπτυξης και χρήσης προηγμένων τεχνικών εκφόρτωσης και εξισορρόπησης φορτίου. Όσον αφορά τα εναέρια δίκτυα, έχουν τη δυνατότητα να προσαρμόζονται εύκολα στις εκάστοτε επικοινωνιακές ανάγκες, εξυπηρετώντας περιοχές ενδιαφέροντος κατά απαίτηση, ξεπερνώντας έτσι τα αυξημένα προβλήματα κινητικότητας. Συνεπώς, η ενσωμάτωση δορυφορικών, εναέριων και επίγειων δικτύων μπορεί να προσφέρει αρκετούς βαθμούς ελευθερίας στο δίκτυο. Ωστόσο, η διαδικασία ενσωμάτωσης περιλαμβάνει αρκετά ζητήματα που θα πρέπει να εξεταστούν προσεκτικά και να επιλυθούν προκειμένου να δοθεί μια ολιστική λύση. Προς την κατεύθυνση αυτή, η παρούσα διατριβή παρέχει νέα πλαίσια επικοινωνίας και λύσεις για την αποτελεσματική ενσωμάτωση δορυφορικών, εναέριων και επίγειων δικτύων στο πλαίσιο των δικτύων πέμπτης γενιάς (Fifth Generation -- 5G) και πέρα από αυτή (Beyond 5G -- B5G). Πιο συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 1 τίθενται οι βάσεις παρουσιάζοντας τις τεχνολογικές εξελίξεις στις δορυφορικές επικοινωνίες και τη νέα διαστημική εποχή. Επιπλέον, υπογραμμίζεται η σημασία των δορυφόρων στο πλαίσιο των δικτύων B5G, με την παροχή μιας λεπτομερούς επισκόπησης των ολοκληρωμένων υβριδικών δορυφορικών-επίγειων δικτύων (Hybrid Satellite-Terrestrial Networks -- HSTNs) και των ολοκληρωμένων δορυφορικών-εναέριων-επίγειων δικτύων (Integrated Satellite-Aerial-Terrestrial Networks -- ISATNs). Στο κεφάλαιο επίσης παρουσιάζονται οι τρέχουσες προσπάθειες έρευνας και ανάπτυξης, καθώς και οι πρωτοβουλίες της βιομηχανίας, δίνοντας έμφαση στις βασικές τεχνολογίες για την αποτελεσματική λειτουργία των δικτύων HSTN και ISATN. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 2, εισάγεται μια καινοτόμος επικοινωνιακή λύση κατανομής πόρων και συνεργατικής μετάδοσης, με στόχο την απρόσκοπτη ενοποίηση δορυφορικών και επίγειων δικτύων. Επίσης, σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφεται η υπό εξέταση τοπολογία δικτύου, διατυπώνεται λεπτομερώς το πρόβλημα βελτιστοποίησης και αναλύεται η προτεινόμενη τεχνική, που χρησιμοποιεί την τεχνολογία της μη-ορθογώνιας πολλαπλής πρόσβασης (Non-Orthogonal Multiple Access -- NOMA) και της επικοινωνίας συσκευή-με-συσκευή (Device-to-Device -- D2D). Ακόμη, διενεργούνται εκτενείς προσομοιώσεις υπολογιστή και συγκρίσεις της επίδοσης του προτεινόμενου σχήματος με συμβατικά σχήματα μετάδοσης, αποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητά του. Αμέσως μετά, στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται μια καινοτόμα επικοινωνιακή λύση, η οποία συνδυάζει αποτελεσματικά την τεχνολογία NOMA με την κωδικοποίηση δικτύου (Network Coding -- NC) σε ένα περιβάλλον HSTN αποτελούμενο από πολλούς χρήστες. Η προτεινόμενη τεχνική μετάδοσης απλοποιεί τις λειτουργίες του δικτύου μειώνοντας την πολυπλοκότητα που σχετίζεται με την απόκτηση και την επεξεργασία των πληροφοριών κατάστασης καναλιού (Channel State Information -- CSI), ενώ αντιμετωπίζει αποτελεσματικά τις προκλήσεις που θέτει η ατελής διαδοχική ακύρωση των παρεμβολών (Successive Interference Cancellation -- SIC) στο NOMA. Στο κεφάλαιο παρέχεται επίσης μια ολοκληρωμένη επισκόπηση της εξεταζόμενης τοπολογίας δικτύου, σε συνδυασμό με μια λεπτομερή διατύπωση του προβλήματος μετάδοσης σε διατάξεις HSTN και της προτεινόμενης λύσης. Ακόμη, προσφέρονται εκτενείς προσομοιώσεις μέσω υπολογιστή για την αξιολόγηση της επίδοσης του προτεινόμενου συστήματος, αποδεικνύοντας την υπεροχή του έναντι συμβατικών προσεγγίσεων. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται ένα νέο σχήμα κατανομής πόρων, με στόχο την αποτελεσματική ενοποίηση δορυφορικών, εναέριων και επίγειων δικτύων μέσω μιας υβριδικής προσέγγισης που συνδυάζει την τεχνική NOMA με την τεχνική της ορθογώνιας πολλαπλής πρόσβασης (Orthogonal Multiple Access -- OMA). Επίσης, στο συγκεκριμένο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υπό εξέταση αρχιτεκτονική του δικτύου και διατυπώνεται λεπτομερώς το πρόβλημα συνεργατικής μετάδοσης και η προτεινόμενη λύση. Επιπλέον, εισάγεται μια καινοτόμος προσέγγιση μηχανικής μάθησης (Machine Learning -- ML) χωρίς επίβλεψη με σκοπό την καλύτερη δυνατή τοποθέτηση της εναέριας πλατφόρμας για την παροχή αυξημένης απόδοσης αναφορικά με τις επικοινωνιακές συνδέσεις αέρα-εδάφους. Ακόμη, και εδώ, παρουσιάζονται ρεαλιστικές προσομοιώσεις υπολογιστή για την αξιολόγηση της επίδοσης του προτεινόμενου σχεδίου μετάδοσης και κατανομής των διαθέσιμων πόρων. Εν συνεχεία, στο Κεφάλαιο 5, παρουσιάζεται μια καινοτόμος λύση επικοινωνίας για την αντιμετώπιση των προκλήσεων συνδεσιμότητας και τη διασφάλιση εκτεταμένης κάλυψης στο πλαίσιο των ISATN έκτης γενιάς (Sixth Generation -- 6G). Συνεπώς, στο κεφάλαιο αυτό εισάγεται ένα νέο συνεργατικό σχήμα μετάδοσης μεταξύ δορυφορικών και εναέριων δικτύων, το οποίο συνδυάζει αποτελεσματικά τη τεχνική NOMA με την τεχνική NC για μια διάταξη ISATN πολλών χρηστών. Περιγράφεται η τοπολογία του δικτύου και διατυπώνεται λεπτομερώς το πρόβλημα της συνεργατικής μετάδοσης και η προτεινόμενη τεχνική. Επιπλέον, στο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια μέθοδος που βασίζεται στην τεχνητή νοημοσύνη (Artificial Intelligence -- AI) για τη βέλτιστη τοποθέτηση του εναέριου σταθμού βάσης στην περιοχή ενδιαφέροντος, βελτιώνοντας έτσι περαιτέρω την απόδοση του δικτύου. Επιπλέον, πραγματοποιούνται ρεαλιστικές προσομοιώσεις υπολογιστή χρησιμοποιώντας γνωστούς δορυφορικούς αστερισμούς και μοντέλα καναλιών για την αξιολόγηση της επίδοσης του προτεινόμενου σχήματος. Τέλος, στο Κεφάλαιο 6, δίνονται τα συμπεράσματα της παρούσας διατριβής και αναλύονται αρκετές μελλοντικές κατευθύνσεις.