无人机辅助移动接入网络中的自由空间光通信和无线充电

⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 6（2020）139www.elsevier.com/locate/icteFSO作为无人机辅助移动接入网络的回程和动力Nirwan Ansaria，Di Wua，Chu，Xiang Sunb美国新泽西州纽瓦克市新泽西理工学院电气与计算工程系高级网络实验室b智能边缘计算和网络实验室，电气和计算机工程系，新墨西哥大学，阿尔伯克基，NM 87131，美国接收日期：2019年12月6日;接受日期：2019年2020年1月7日在线提供摘要无人机安装的基站（DBS）可以灵活地部署在某些区域（如热点和受灾地区），以加快地面基站（TBS）和用户之间的通信。为了增加DBS与DBS之间的回程链路的容量，其TBS、自由空间光（FSO）通信被用作回程解决方案。但是，DBS及其TBS应在视距内（LoS）。因此，引入了一种新的DBS放置方法，以最大化服务用户的数量，同时保证DBS和其TBS之间的LoS。此外，为了延长DBS的悬停时间，我们建议部署光束以促进同时通信和充电。也就是说，从TBS传输到其DBS的光束不仅携带数据，而且携带能量。安装有太阳能电池板和FSO接收器的DBS同时接收光束携带的数据和能量。数值结果表明，使用光束充电和通信的DBS可以获得25%的额外悬浮时间的DBS和实现高网络吞吐量。c2020年韩国通信与信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：无人机辅助接入网;自由空间光通信;无线充电1. 介绍根据爱立信移动报告[1]，移动宽带用户数量同比增长15%，2019年第一季度增加了1.4亿。因此，由于移动宽带订阅数量的增加和每个订阅的平均数据量的增加，移动流量增长呈爆炸式增长。移动流量预计将在2018年至2024年间每年增长25%。当前的移动网络基础设施正面临着一个非常大的挑战，以适应移动流量的指数增长[2]。为了显著增加移动网络的容量，诸如超密集小小区部署、毫米波通信和大规模MIMO的各种技术已经被并入5G移动网络[3]。无人机辅助移动接入网络是其中之一，这项工作得到了美国国家科学基金会的部分支持，资助号为。CNS-1814748∗ 通讯作者。电子邮件地址：nirwan. njit.edu（N.Ansari），dw245@njit.edu（D.Wu），sunxiang@unm.edu（X.Sun）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2019.12.002快速有效地增加网络容量的有前途的技术。在无人机辅助的移动接入网络中，无人机安装的基站（DBS）部署在特定区域上，用作远程地面基站（TBS）与该区域中的用户之间的中继节点[4具体而言，如图所示。 1中，所请求的数据流经由无线回程链路从远程TBS传输到DBS [9]。然后，DBS经由无线接入链路将接收到的数据流中继到相应的用户。由于DBS可以部署在非常靠近用户的地方，因此用户从DBS下载数据流的数据速率比从远程TBS下载数据流的数据速率高得多。无人机辅助移动接入网由于其灵活、快速的部署，已经被应用于各种应用场景。首先，DBS可以部署在随机和不可预测的热点上，其中部署小型小区既不经济也不实用[10]。例如，交通拥堵严重的区域可能成为热点，其中用户在交通拥堵中等待时可能需要下载和观看各种内容。因此，在严重交通堵塞区域上部署DBS可显著增加数据传输2405-9595/2020韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。140N. Ansari，D.Wu和X.Sun/ICT Express 6（2020）139图1.一、无 人 机辅助接入网络架构。用户率。第二，DBS可以部署在受灾地区，在那里无线网络基础设施可能被损坏并且难以从受灾地区到达 大地[11]例如，地震可能会袭击并摧毁用户与外界隔离的区域的网络基础设施。通过在该地区部署DBS，可以快速建立临时网络，使受害者能够与救援队等联系。第三，DBS可用于无线传感器网络中的数据收集，其中许多传感器节点部署在大的监测区域中[12]。DBS可以周期性地在区域上巡航以从这些传感器节点检索感测数据，以节省传感器节点的能量消耗。无人机辅助的移动接入网络可以促进许多应用;然而，有几个公开的研究挑战。(1)DBS可以部署在非常靠近用户的地方，以提高DBS和用户之间的数据速率。然而，无线回程链路可能成为瓶颈，从而降低整体网络吞吐量。如何在不影响无线接入链路容量的前提下提高无线回程链路容量是一个具有挑战性的问题。(2)在不同位置部署DBS可能会显著影响网络性能。也就是说，将DBS部署得更靠近用户可能会降低DBS与远程TBS之间的无线链路容量。然而，将DBS部署得更靠近远程TBS可能会降低DBS与用户之间的无线接入链路容量。因此，有必要找到一个最佳的DBS部署，以最大限度地提高网络容量。 (3)DBS通常由其便携式电池供电，这限制了DBS的悬停时间例如，DJI PHANTOM 4只能飞行约28分钟，Yuneec Q500的最大飞行时间为25分钟。DBS的电池寿命短，因此限制了其悬停时间，以协助TBS提供交通。在本文中，我们研究基于FSO无人机辅助接入网络，其中FSO通信应用作为回程解决方案，以显着增加回程链路容量。介绍了一种DBS布局方法 以在基于FSO的无人机辅助接入网络的上下文中有效地部署多个DBS。此外，我们建议使用光束来实现与DBS的同时充电和通信，使得悬停时间和回程链路容量可以增加。数值结果表明应用光学充电可以将DBS的悬停时间延长25%以上。本文的其余部分组织如下。在第二节中，我们介绍了基于FSO的无人机辅助接入网络体系结构和QoS感知的多DBS布局方法。在第3节中，我们介绍了实现与DBS同时充电和通信的框架，并开发了系统模型来估计应用光束来承载能量和数据的充电速率和数据速率。在第4节中，我们提供了数值结果来证明DBS可以通过应用光学充电获得25%的额外悬停时间。第5节给出了一个简短的结论。2. 在无人机辅助移动接入网络如前所述，DBS可能被部署在远离其TBS的地方，从而导致DBS与其TBS之间的回程链路中的瓶颈。为了增加回程链路容量，自由空间光（FSO）通信被提出作为解决方案。与传统的射频通信相比，FSO可以在更长的距离上实现更高的容量。实验证明，FSO链路可以在距离为210 m的两个端点之间提供1.28 Tbps的数据速率[13]。虽然应用FSO可以显著提高回程链路容量，但是出现了新的挑战，即，FSO是视距（LoS）通信，因此DBS与其TBS之间的链路应该是LoS。因此，应设计新的DBS放置策略，以保证DBS及其相关TBS之间的LoS。我们已经调查了灾害发生地区的DBS放置问题[14]。具体地，如图2所示，受灾区域中的所有TBS都被损坏，因此在受灾区域上方放置多个DBS以帮助用户从位于受灾区域之外的远程TBS下载数据。也就是说，经由基于FSO的回程链路将数据流从远程TBS下载到其DBS，然后DBS中继接收到的数据流。通过无线接入链路将数据流传输到其相关用户给定可用DBS的数量，我们通过联合优化DBS部署、用户关联和带宽分配来制定问题，使得可用DBS的数量最大限度地提高受灾地区的服务用户数量[14]。这里，如果用户的可实现数据速率（在从DBS下载数据时）可以满足其数据速率要求，则可以由DBS服务的用户。我们已经设计 了 QoS 服 务 器 基 站 方 案 和 移 动 用 户 关 联 策 略（RESCUE）来有效地解决这个问题[14]。基本上，救援包括三个主要步骤。(1)DBS首先被迭代地部署在该区域上以最大化它们的覆盖区域（即，最大化尚未被所部署的DBS覆盖的其覆盖用户的数量）;（2）给定每个DBS的可用带宽的总量，每个DBS将带宽分配给其覆盖用户，以便最大化所服务的用户的数量;（3）调整每个DBS的高度，使得可以增加DBS的所服务的用户的数量。仿真结果表明，与N. Ansari，D.Wu和X.Sun/ICT Express 6（2020）139141-ATM（图二. 在灾害地区应用基于FSO的无人机辅助网络。现有的业务负载感知DBS配置（TLA）1[15]和路径损耗感知DBS配置（PLA）2[16]方法，RESCUE实现了受灾地区最多的服务用户数量和最高的网络吞吐量[14]。3. 同时通信和充电采用FSO作为回程通信可以显著增加回程链路容量，从而显著提高网络吞吐量。然而，如何延长DBS的悬停时间仍然是未知数。我们提出了SoarNet架构，其中从图3.第三章。通 过 光 束 同时通信和充电。3.1. 接收光功率在本节中，我们将提供一个数学模型来估计使用光束为DBS充电的充电率。将Pr表示为由DBS接收的光束的功率。令Pd和Pc分别是用于通信和充电的接收光功率。我们假设光束点的大小与DBS中光束接收器那么，我们有TBS到其DBS不仅携带数据而且携带能量[17]。也就是说，DBS可以同时接收从TBS发送的数据和能量，从而延长DBS的悬停时间，同时提供高回程链路容量。Pr=Pd+ Pc。（一）这里，DBS中的光接收器接收的光功率可以通过[21]具体而言，如图所示。图3中，DBS安装有光束接收器，光束接收器包括FSO接收器Pr= Pt·ηt·10Lpoi10·10L第十条，（二）和太阳能电池板。FSO接收器接收来自TBS的光束的一部分，并接收由光束携带的数据。太阳能板接收剩余光束并吸收光束携带的能量。吸收的能量存储在DBS的便携式电池中以供进一步使用。与传统的无线充电方法相比，应用光束对电池进行充电已经证明，只有3.4%的射频能量可以转化为电能[18];然而，20%的光能可以转化为电能[19]。这是因为在FSO通信中使用的光束具有非常窄的发散角，从而使得光能更加集中。的其中Pt是光束的传输功率，ηt是TBS中的FSO发射器的效率，Lp 〇 i是光束的指向损耗3，并且Latm是散射损耗4，其主要由TBS和DBS之间的距离以及可视范围（即，一个物体可以被清楚辨别的最大距离），即，Latm=4。34·σ·d，（ 3）其中d是TBS和DBS之间的距离，并且σ是以km−1为单位的大气衰减系数，由[23]FSO中光束的发散角可以小到0.02rad [20]。3 .第三章。91σ=v·λ550）−q 、（四）1 TLA的基本思想是最大化总数据速率，通过首先向用户分配带宽，到其相关联的DBS的较低路径损耗。然而，TLA不会产生最佳DBS部署，因此从RESCUE导出的DBS的位置将应用于TLA。2 PLA的基本思想是联合优化带宽分配以及DBS的水平位置，以便最小化用户与其相关联的DBS之间的平均路径损耗。然而，DBS的高度是固定的和预定义的。其中λ是以nm为单位的光束的波长，V是能见度范围，单位为km，q是散射粒子。这里，可以基于以下来估计q：3 在这里，我们假设应用了捕获、跟踪和指向（ATP）系统[22]，因此本文不考虑指向损失。4 Lpoi和Latm的单位为dB。−142N. Ansari，D.Wu和X.Sun/ICT Express 6（2020）139⎪⎪⎩≤≤=（）（）R=·=≤=-⎧⎨（）下一页可见度范围V[23]，即，1 .一、6，v > 50 km，1 .一、3、6 km 50 km，有雾的天气表示1 km900 m时，回程链路成为路径的瓶颈;增大d可以降低回程链路的吞吐量，从而降低路径的吞吐量。5. 结论在本文中，我们提出了使用FSO作为TBS和DBS之间的因此，DBS的数据速率和悬停时间显著增加。数值结果表明，使用光学引用[1] 爱立信，爱立信移动报告，我们的数据世界，2019年，https：//www. 是的。COM/49D1D9/ASSETS/LOCAL/MOBII pdf.[2] X.太阳，N.安萨里，边缘物联网：物联网的移动边缘计算，IEEECommun。麦格54（12）（2016）22[3] N. 安 萨 里 湖 Zhang ， Flexible backhaul aware DBS-aided HetNetwithIBFD communications，ICT Express（2019）.[4] X. 太阳，N. Ansari，Jointly optimizing drone-mounted base station-tion placement and user association in heterogeneous networks，in：2018 IEEE International Conference on Communications ， ICC ，2018，pp. 1比6[5] X.太阳，N. Ansari，异构网络中的延迟感知无人机基站放置，在：GLOBECOM 2017 - 2017 IEEE全球通信会议，2017年，pp. 1比6[6] S. Zhang，X. 太阳，N. Ansari，将多个无人机基站放置在热点中，在：2018年IEEE第39届Sarnoff研讨会，2018年，pp. 1比6[7] N. Ansari ， X. Sun ， Mobile edge computing empowers internetofthings，IEICE Trans. Commun. 101（3）（2018）604[8] D. 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