Gelecek nesil haberleşme sistemlerinde insansız hava araçları için kaynak yönetim teknikleri
Resource management techniques for unmanned aerial vehicles in next generation communication systems
Yazar: UYGAR DEMİR
Danışman: PROF. DR. CENK TOKER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İnsansız hava araçlarının uçan baz istasyonları olarak 5G ve ötesi ağlarda kullanımı, yersel haberleşme ağının karşılaştığı bazı sorunlara ümit vaadeden bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Bu sorunların arasında, kör nokta, kapsama alanı dışında kalma, düşük servis kalitesi ve sürdürülebilir hizmet sayılabilir. İnsansız hava araçlarının yüksek hareketlilikleri, değişken yükseklikleri ve kolay kurulumları sayesinde, bu sorunlarla baş edebileceği öngörülmektedir. Özellikle, yüksek görüş hattı (line-of-sight, LoS) bağlantısı ihtimali sayesinde, bu araçlar hizmet talebi olan bölgelerde, yüksek veri hızı, yüksek güvenilirlik ve düşük gecikme gibi hizmetleri yerine getirerek sürdürülebilir kapsamayı sağlaması beklenmektedir. İHA haberleşmesinin bu avantajlarına rağmen, düşük uçuş süreleri, eniyi üç boyutlu konuşlandırma, rota planlama ve enerji verimliliği gibi araştırılmayı bekleyen sorunları mevcuttur. Bu tezin ana amacı, bu sorunlara çözüm bulmak adına, İHA haberleşmesinde, kaynak yönetim tekniklerinin incelenmesidir. Kaynak yönetimi konusu, uçan erişim noktasının (UxNB) görevini gerçekleştirirken uçmak ve haberleşmek için tükettiği kaynakların eniyilemesini ele alır. Böylelikle, bu tez çalışmasında bilinen literatürün aksine, düşük uçuş süresi, rota planı, eniyi üç boyutlu konuşlandırma, artağ sorunu ve başarım analizine yeni bir bakış açısı getirilmektedir. 
		
İlk olarak, döner kanatlı bir İHA'nın uçmak için harcadığı gücün, momentum ve pala eleman teorileri kullanılarak matematiksel analizi yapılmaktadır. Burada elde edilen sonuçlar, uçmak için harcanan gücün haberleşmek için harcanan gücün yüzlerce kat üzerinde olduğunu göstermektedir. Dolayısıyla, uçuş dinamiklerinin de haberleşme problemlerine dahil edilmesi gerekmektedir. 

Tek ve çok sayıda İHA için enerji verimli 3B konuşlandırma problemi farklı içeriklerde farklı bölümlerde ele alınmaktadır. Öncelikle, tek UxNB'nin konuşlandırılması, uçuş dinamikleri ve kullanıcıların hizmet kalitesi kısıtları altındaki bir haberleşme senaryosunda incelenmektedir. Sonrasında, çoklu İHA baz istasyonlarının oluşturduğu ağın çalışma süresini ve kapsama alanı yoğunluğunun enbüyütüldüğü bir doğal afet senaryosunda daire paketleme teorisinden faydalanılmıştır. Bunun yanında, farklı İHA tipleri ile oluşturulan havasal haberleşme ağının başarım analizi yapılmaktadır. İHA tipine özgü konuşlandırma problemlerinin çözümü için, K-means kümeleme ve DC programlama kullanılarak eniyiye yakın sonuç veren bir algoritma önerilmektedir ve bu algoritmanın yardımıyla detaylı bir karşılaştırma çevçevesi sunulmaktadır. Bilindiği kadarıyla burada yapılan kapsamlı çalışma İHA haberleşmesi alanı için ilktir. 
		
Akıllı şehir uygulamalarından olan akıllı ulaşım sistemlerinde İHA baz istasyonlarının kullanılması fikri literatürde daha önce ortaya atılmışsa da ilk kez bu çalışmada, bir V2X haberleşme senaryosunda uçan yol kenarı birimi olarak kullanımı gerçekleştirilmiştir. Gecikme süresi ve artağ kısıtının olduğu bir haberleşme senaryosunda, UxNB, uçan yol kenarı birimi olarak araçtan altyapıya bağlantısını kurmaktadır. Eğer İHA'lar ağdaki veri hızını arttırmak için kullanılacaksa, ağın artağ kapasitesi önemli bir sınır teşkil etmektedir. Bu sorunun araştırılması adına, tezde, yükseltilmiş mobil genişbant haberleşme senaryosunda enerji verimli konuşlandırma problemi ele alınmaktadır. Bu problemin maliyet işlevinin analitik olarak tek modlu olduğu gösterilerek buluşsal bir algoritma çözümü elde etmek adına sunulmaktadır. 

Uçan baz istasyonu olarak çalışacak olan İHA'lar, 5G teknolojisindeki yenilikçi yaklaşımlardan birini olarak ortaya çıkmaktadır. Bununla birlikte, bir UxNB ağı, ağ dilimleme işlemini de uygulayabilmelidir. Tezin son bölümünde, farklı hizmet talepleri olan kullanıcıların bulunduğu bir haberleşme senaryosu ele alınmaktadır. UxNB'nin harcadığı toplam gücü enküçültmek isteyen stokastik zaman ortalamalı bir problem önerilmektedir. Önerilen problemde, dilimlerden birinde ultra güvenli düşük gecikmeli haberleşme talep eden kullanıcıların olduğu ve diğerinde yüksek veri hızı talep eden kullanıcıların olduğu iki ağ dilimi bulunmaktadır. Bu senaryoda, dinamik radyo kaynak tahsisinin ve UxNB'nin rota planının ortaklaşa yapıldığı yinelemeli bir algoritma önerilmektedir. 

Özetle, bu tezde elde edilen analitik ve nümerik bulgular, gelecekte, kablosuz haberleşmede önemli bir yere sahip olacak insansız hava araçları ile oluşturulan yersel olmayan ağların tasarımında ve uygulama alanları hakkında genel bir çerçeve oluşturmaktadır.

Abstract:
The use of unmanned aerial vehicles as flying base stations in 5G and beyond networks has emerged as a promising solution to some of the problems faced by the terrestrial communication network. These problems include blind spots, low coverage, low service quality and sustainable service. It is anticipated that unmanned aerial vehicles can cope with these problems thanks to their high mobility, adjustable heights, and easy and quick deployment. In particular, due to the high possibility of establishing a line-of-sight link, these vehicles are expected to provide a sustainable coverage in regions with service demand such as high data rate, high reliability and low latency etc. Despite these advantages of UAV communications, there are still problems which require further research on, e.g. low flight times, optimal three-dimensional deployment, route planning and energy-efficiency. The main goal of this dissertation is to examine resource management techniques in UAV communications in order to find solutions to these problems. The topic of resource management deals with the optimization of the resources that the flying access point (UxNB) consumes to fly and communicate while performing its task. Thus, unlike the common literature, this study brings a new perspective to low flight time, route planning, optimal 3D deployment, backhaul problems and performance analysis. 
		
First, the power dissipated by a rotary-wing UAV to fly is mathematically analyzed using the momentum and blade element theories. The results obtained show that the power spent to fly can be nearly hundreds of times higher than the power spent for communication. Therefore, flight dynamics should also be included in communication problems. 

The problem of energy-efficient 3D deployment for single and multiple UAVs is discussed in different context in different chapters. First, the deployment of a single UxNB is examined in a communication scenario under flight dynamics and quality of service constraints of the ground users. Next, the deployment problem of the multiple UAV base stations that maximizes the network endurance and the coverage density in a natural disaster scenario is examined where circle packing theory is utilized. Following that, performance analysis of the airborne communication network created with different types of UAVs is presented. For the solution of the deployment problems specific to each UAV type, an algorithm that gives the suboptimal result using K-means clustering and DC programming is proposed and with the help of this algorithm, a detailed comparison framework is provided. To the best of our knowledge, this comprehensive study is the first for the UAV communications field. 
		
Although the idea of using UAV base stations in intelligent transportation systems, which is one of the smart city applications, has been proposed before in the literature, it is the first time that in this study they are used as flying roadside units in a V2X communication scenario. In a communication scenario with the latency and the backhaul constraints, UxNB establishes the vehicle-to-infrastructure (V2I) connection as the flying roadside unit. If UAVs are used to increase the data rate in the network, the backhaul capacity of the network poses a significant limitation. In order to investigate this, the thesis discusses the energy-efficient deployment problem in an enhanced mobile broadband communication scenario. Upon analytically showing that the cost function of this problem is unimodular, a heuristic algorithm is provided to obtain the solution. 

UAVs, which will operate as flying base stations, forms one of the innovative approaches in 5G technology. Hence, a UxNB network should be able to implement network slicing as well. In the last chapter of the dissertation, a communication scenario with users having different service demands is discussed. A stochastic time-averaged problem is proposed to minimize the total power consumed by the UxNB. In the proposed problem, there are two network slices where one of these slices belongs to users demanding ultra-reliable low-latency communication, and the other one represents users demanding high data rate. In this scenario, an iterative algorithm is proposed in which dynamic radio resource allocation and UxNB's route planning are jointly handled. 

In summary, the analytical and numerical foundations obtained in this dissertation constitute a general framework about the design and application areas of non-terrestrial networks created by unmanned aerial vehicles, which will have an important place in wireless communication in the future.