Performance evaluation of terrestrial and aerial communication networks

Abstract

Moving with tremendous growth toward the sixth-generation (6G) networks, it becomes more and more clear that a key feature of the new era will be the uninterrupted connectivity to both users and machine-type devices for supporting a huge variety of applications. To this end, the research and industry community turns to key enabling technologies such as the millimeter-wave (mmWave) and the unmanned aerial vehicles (UAVs). However, the introduction of these technologies comes with several challenges. To investigate these challenges and propose solutions for the design of 6G cellular networks, detailed system-level analysis is required, which is the main objective of this dissertation. First, a comprehensive performance analysis is conducted for terrestrial mmWave networks, where the user equipments (UEs) and the base stations (BSs) are equipped with antenna arrays that are able to form directional beams. Nevertheless, with the introduction of beamforming capabilities and the inevitable misalignment error between the two communications antennas, it becomes clear that both polar coordinates should now be jointly considered in the user association policy and the performance evaluation of the network. By jointly considering both polar coordinates, the probability density function (PDF) of the maximum received power and the Laplace transform of the aggregate interference power distributions, are derived in exact form. Subsequently, coverage probability is examined by exploiting fundamental tools of stochastic geometry. Going one step further, the analysis is also conducted for two other association schemes, i.e., an ideal baseline scenario and a purely angular distance-based association scheme. The effect of a single dominant interferer in coverage probability is also investigated for each policy scheme. As a baseline approach, a finite mmWave network under perfect alignment between the serving BS and the receiver is also considered. To elaborate more on system-level insights, three key interference scenarios are presented and the network’s coverage performance is subsequently investigated. Continuing the analysis on 6G key enabling technologies, the research interest now turns on the integration of UAVs in cellular networks. Unfortunately, current cellular architectures have not primarily been designed for integrating aerial nodes. Triggered by the aforementioned, the binomial 3D cellular network is proposed as a candidate cellular architecture for beyond fifth-generation (5G) UAV networks. The binomial 3D cellular network integrates merely UAV-BSs and UAV-UEs and it builds on the truncated octahedron cell-shape which is the closest approximation of a sphere which can fully tessellate the three-dimensional (3D) space with no overlaps or gaps. Due to the peculiar geometry of the truncated octahedron, conducting a performance evaluation at system-level is particularly challenging. A key challenge is the evaluation of the volume of the sub-regions of a truncated octahedron cell-shape in which a UAV-UE may fall. Accordingly, by exploiting the 3D binomial point process (BPP) for modeling the spatial locations on the UAV-UEs, performance analysis in terms of coverage probability is conducted under i) intra-cell interference only, and ii) both intra- and a worst-case inter-cell interference scenario. For the sake of completeness, coverage probability analysis is also conducted for a finite cell modeled as a sphere which can clearly capture the effect of the 3D coverage space while on the same time retains analytical tractability. Accordingly, the analysis focuses to the performance under a dominant interferer approach in a finite cell modeled as a sphere. Closed-form expressions are obtained for the coverage probability, BER, average output SIR, and ergodic capacity. Finally, we bring more light to the debate between cellular networks which are based on the sphere cell-shape and networks which are based on the truncated octahedron cell-shape. Accordingly, the interest turns to the spatial deployment of the UAV-BS and therefore a system-level performance comparison is conducted between the truncated octahedron-based cellular network and a 3D binomial-Voronoi network in a sphere. While the actual UAV-BS 3D deployment is neither absolutely well-defined nor totally random in practice, performance comparison is conducted to highlight the benefits of each model as a candidate 3D cellular UAV network for beyond-5G wireless communication systems.

Καθώς μεταβαίνουμε με γοργούς ρυθμούς προς την εποχή δικτύων 6ης γενιάς, γίνεται περισσότερο προφανές ότι ένα βασικό χαρακτηριστικό της νέας αυτής εποχής θα είναι η αδιάκοπτη συνδεσιμότητα τόσο για τους χρήστες όσο και για συσκευές τύπου μηχανών για την υποστήριξη μιας πληθώρας εφαρμογών. Για την επίτευξη του στόχου αυτού, η ακαδημαϊκή και η βιομηχανική κοινότητα στρέφεται προς επίκαιρες τεχνολογίες όπως η μικροκυματική ζώνη συχνοτήτων και τα μη επανδρωμένα εναέρια οχηματα. Ωστόσο, η εισαγωγή αυτών των τεχνολογιών έρχεται αντιμέτωπη με ορισμένες προκλήσεις. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν αυτές οι προκλήσεις και να προταθούν λύσεις για το σχεδιασμό των κυψελωτών δικτύων 6ης γενιάς, απαιτείται λεπτομερής αξιολόγηση της επίδοσης σε επίπεδο συστήματος, η οποία είναι και ο στόχος της παρούσας διατριβής. Η ολοκληρωμένη αξιολόγηση της επίδοσης των επίγειων δικτύων στη μικροκυματική ζώνη συχνοτήτων, προϋποθέτει ότι οι χρήστες και οι σταθμοί βάσης είναι εξοπλισμένοι με κεραίες ικανές να σχηματίσουν κατευθυντικούς λοβούς. Ωστόσο, με την εισαγωγή των δυνατοτήτων διαμόρφωσης του λοβού ακτινοβολίας και το αναπόφευκτο σφάλμα σκόπευσης, είναι προφανές ότι και οι δύο πολικές συντεταγμένες πρέπει τώρα να ληφθούν από κοινού υπόψη στη πολιτική συσχέτισης του χρήστη με κάποιο σταθμό βάσης καθώς και στην αξιολόγηση της επίδοσης του δικτύου. Αρχικά, στην παρούσα διατριβή, λαμβάνονται υπόψη οι πολικές συντεταγμένες των σταθμών βάσης και εξάγονται σε αναλυτική μορφή η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας της μέγιστης λαμβανόμενης ισχύος καθώς και ο μετασχηματισμός Laplace της συνολικής ισχύος των παρεμβολών. Ακολούθως, εκμεταλλευόμενοι θεμελιώδη εργαλεία της στοχαστικής γεωμετρίας, διεξάγεται υπολογισμός της πιθανότητας κάλυψης. Η μελέτη της πιθανότητας κάλυψης διεξάγεται για λόγους πληρότητας για ακόμα δύο ακόμα πολιτικές ζεύξης μεταξύ του δέκτη και του σταθμού βάσης που τον εξυπηρετεί, δηλ. ένα ιδανικό σενάριο αναφοράς και μία πολιτική που βασίζεται αμιγώς στη γωνιακή απόσταση. Προκειμένου να αποτυπωθεί και η επίδραση ενός ισχυρού παρεμβολέα στην επίδοση των δικτύων μικροκυματικής ζώνης συχνοτήτων, πραγματοποιείται αξιολόγηση της επίδοσης υπό την προσέγγιση ενός ισχυρού παρεμβολέα για κάθε προτεινόμενη πολιτική. Σαν σενάριο αναφοράς, ορίζεται ένα πεπερασμένο δίκτυο που λειτουργεί στη μικροκυματική ζώνη συχνοτήτων και επιπλέον υπάρχει τέλεια ευθυγράμμιση μεταξύ των κεραιών του δέκτη και του σταθμού βάσης που τον εξυπηρετεί. Στη περίπτωση αυτή, προκειμένου να εξαχθούν επιπρόσθετα συμπεράσματα σε επίπεδο συστήματος, παρουσιάζονται τρία βασικά σενάρια παρεμβολών και ακολούθως πραγματοποιείται αξιολόγηση της επίδοσης του δικτύου για κάθε ένα από αυτά. Συνεχίζοντας την ανάλυση σε κομβικές τεχνολογίες που καθορίζουν τα δίκτυα 6ης γενιάς, το ερευ- νητικό ενδιαφέρον στρέφεται στην ενσωμάτωση των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων στα κυψελωτά δίκτυα. Δυστυχώς, τα τρέχοντα κυψελωτά δίκτυα δεν έχουν σχεδιαστεί για να περιλαμβάνουν πρωτίστως εναέριους κόμβους. Κινητοποιημένοι από τα προαναφερόμενα, προτείνεται το τρισδιάστατο διωνυμικό κυψελωτό δίκτυο ως υποψήφια κυψελωτή αρχιτεκτονική για τα δίκτυα μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων επόμενης γενιάς. Το τρισδιάστατο διωνυμικό κυψελωτό δίκτυο περιλαμβάνει αποκλειστικά εναέριους σταθμούς βάσης και χρήστες και βασίζεται στη κυψελωτή δομή του περικομμένου οκτάεδρου, το οποίο είναι η πιο κοντινή προσέγγιση μίας σφαίρας που μπορεί να πληρώσει τον τρισδιάστατο χώρο χωρίς κενά ή επικαλύψεις. Εξαιτίας της ιδιαίτερης γεωμετρίας του περικομμένου οκτάεδρου, η διεξαγωγή της αξιολόγησης της επίδοσης του δικτύου σε επίπεδο συστήματος είναι ιδιαίτερα απαιτητική. Μία βασική πρόκληση που καλούμαστε να αντιμετωπίσουμε αποτελεί ο υπολογισμός του όγκου των υποπεριοχών της κυψέλης που μπορεί να βρεθεί ένας εναέριος χρήστης. Στη συνέχεια, εκμεταλλευόμενοι την τρισδιάστατη διωνυμική στοχαστική διαδικασία για τη μοντελοποίηση της χωρικής θέσης των εναέριων χρηστών, διεξάγεται αξιολόγηση της επίδοσης ως προς την πιθανότητα κάλυψης για την περίπτωση 1) παρεμβολών εντός της κυψέλης, και 2) για τη περίπτωση παρεμβολών εντός και εκτός της κυψέλης. Για λόγους πληρότητας, η ανάλυση διεξάγεται επίσης και για μία κυψέλη της οποίας το γεωμετρικό σχήμα μοντελοποιείται ως μία σφαίρα. Τονίζεται οτι η σφαίρα μπορεί να αποτυπώσει την επίδραση που έχει ο τρισδιάστατος χώρος στην επίδοση του δικτύου ενώ την ίδια στιγμή η εξαγωγή αναλυτικών εκφράσεων των μετρικών επίδοσης γίνεται απλούστερη. Με βάση αυτή την προσέγγιση, πραγ- ματοποιείται λεπτομερής αξιολόγηση επίδοσης υπό την θεώρηση ενός ισχυρού παρεμβολέα για ένα δίκτυο που μοντελοποιείται ως σφαίρα. Ακολούθως εξάγονται εκφράσεις σε κλειστή μορφή για την πιθανότητα κάλυψης, το ρυθμό σφάλματος bit, το λόγο μέσης ισχύος του λαμβανόμενου σήματος προς την ισχύ της παρεμβολής και την συνολική χωρητικότητα. Τέλος, προσπαθούμε να ρίξουμε περισσότερο φως στη σύγκριση της επίδοσης μεταξύ των κυψελωτών δικτύων που βασίζονται στη σφαίρα και αυτών που βασίζονται στη περικομμένο οκτάεδρο. Για το λόγο αυτό, το ερευνητικό ενδιαφέρον στρέφεται προς τη χωρική τοποθέτηση των εναέριων σταθμών βάσης και επομένως πραγματοποιείται μία σύγκριση της επίδοσης μεταξύ του κυψελωτού δικτύου που βασίζεται στο περικομμένο οκτάεδρο και ενός κυψελωτού δικτύου που βασίζεται σε τρισδιάστατες διωνυμικές κυψέλες Voronoi μέσα σε μία σφαίρα. Καθώς η πραγματική χωρική τοποθέτηση των εναέριων σταθμών βάσης δεν είναι απόλυτα προκαθορισμένη αλλά ούτε και τελείως τυχαία, η τελική σύγκριση της επίδοσης πραγματοποιείται προκειμένου να αναδείξει τα οφέλη κάθε μοντέλου ως υποψήφιο τρισδιάστατο κυψελωτό δίκτυο για μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα με εφαρμογή σε ασύρματα δίκτυα επόμενης γενιάς.