Joint transmission coordinated multipoint technique in multi drone cells

Abstract

Yeni nesil haberleşme teknolojileri, kullanıcılarına her ortamda yüksek veri hızı sağlamayı hedeflemektedir. Makro baz istasyonları, kullanıcı sayılarının anlık arttığı veya doğal afet gibi olağandışı durumlarda haberleşme ihtiyacını karşılayamayarak yetersiz kalabilmektedir. Bundan dolayı, dron hücreleri 5G'de heterojen ağlara dahil olacaktır. Bu hücreler ile yüksek kullanıcılı sahalarda servis kalitesi ve ağ kapasitesi arttırılabilecektir. Aynı frekans bandının dron baz istasyonu (DBS) dahil birden çok baz istasyonu tarafından kullanılması ve bu baz istasyonlarının birbirinin etkileşim alanı içerisinde bulunması girişim sorunlarını doğurmaktadır. Girişim sorunlarını engellemek için 3GPP tarafından önerilen yöntemlerden olan ortak iletim eşgüdümlü çoklu nokta tekniği (JT-CoMP) ile hücre kıyısında bulunan kullanıcılar için girişimin engellenmesi ve performans arttırımı amaçlanmaktadır. Dronların hareket yetenekleri sayesinde bu araçların gezgin (taşınabilen) baz istasyonları olarak servis sağlaması yaygınlaşmaktadır. Doğal afetlerden sonra devre dışı kalabilen sabit baz istasyonlarının yerine servis devamlılığını sağlayabilmek için kullanım alanları mevcuttur. Dron sistemlerinin haberleşme alanının yanında askeri, özel ve ticari kullanım alanları da bulunmaktadır. İçerisinde birden çok dron barındıran çoklu dron şebekeleri daha verimli, kullanışlı ve güvenilirdir. Şebekede bozulan veya zarar gören bir dronun yerine diğer dronlar servis sunabilir. DBS'nin en uygun performansta servis verebilmesi için uçma yüksekliği, kullanıcı cihazlarına (UE) uzaklığı ve hareket algoritmalarını belirleyen çalışmalarda DBS'lerin etkili servis verebilmesi için üç boyutlu optimum konumlandırılması hem yükseklik hem de UE'ye uzaklık açısından incelenmiştir. Tek bir DBS sınırlı sayıda kullanıcıya servis verebilir. Daha fazla UE'ye servis verebilmek için birden çok DBS aynı anda uçurulmaktadır. DBS'ler birbirlerinin kapsama alanına girdiklerinde girişim sorunları oluşmaktadır. 3GPP tarafından girişim sorunlarının çözülmesi amacıyla girişim engelleme teknikleri önerilmiştir. Hücrelerarası girişim eşgüdümü tekniği (ICIC), hücre içi ve hücre dışı kullanıcılarına farklı frekans alt bantlarını tahsis ederek girişimi engellemeyi hedefler. Geliştirilmiş hücrelerarası girişim eşgüdümü tekniğinde (eICIC), neredeyse boş alt zaman dilimlerinde hücreler veri içeren işaret göndermez, bu dilimlerde komşu hücrenin kullanıcıya işaret göndermesine imkan tanır. Daha fazla geliştirilmiş hücrelerarası girişim eşgüdümü tekniğinde (feICIC) ise gücü azaltılmış alt dilimler sayesinde hücre kıyılarında bulunan UE'ler girişimden etkilenmezler. Önerilen girişim engelleme tekniklerinden sonuncusu olan eşgüdümlü çoklu nokta (CoMP) tekniğinde, UE'nin işaretini yakaladığı baz istasyonlarından aynı frekansta servis alınabilmesi mümkündür. Bu şekilde girişime sebep olan işaret, anlamlı ve kullanılabilir işarete çevrilir. İşaret-girişim-gürültü-oranı (SINR), girişime sebep olan sinyalin azalması sayesinde artar.CoMP metodunun amacı girişim sorununu engellemek ve girişime sebep olan işaretten faydalanarak bu işareti kullanmaktır. CoMP tekniğinde UE, işaret aldığı istasyonların her birinden aynı anda ve aynı frekansta servis alır. Veri paketlerinin farklı noktalardan gönderilmesinden dolayı eş zamanlama konusu çok önemlidir. Eş zamanlamayı kaybeden noktalar CoMP metodunun çalışmamasına ve iletilen verinin anlamını yitirmesine sebep olabilir.Baz istasyonları kendi aralarında gönderilen paketlerin eş güdümünü sağlamak amacıyla haberleşirler. Bu haberleşme, taşıma kaynak kullanımının artmasına sebep olur. Taşıma işaretleşmesi için yüksek kaynak kullanım ihtiyacı, CoMP metodunun sadece belirli hücrelerde ve belirli kullanıcılar için yapılması zorunluluğunu doğurmuştur. CoMP yöntemi kaynak yetmeyeceği ve bazı kullanıcılara faydası olmayacağı için hücre içerisinde bulunan tüm kullanıcılara uygulanamaz, genellikle hücre kıyısı kullanıcıları için uygulanır. Kısıtlı kaynaklar dolayısıyla kullanıcılar, belirli durumlara göre kümelendirilerek CoMP yapanlar ve yapmayanlar olarak ayrıştırılabilir. Bu çalışmada CoMP yapan kullanıcıları belirleme yöntemi, UE'nin iletim noktalarından aldığı işaret güçlerinin farkına göre seçilmiştir. İletim noktalarından alınan işaretlerin güçleri ardışık sıralanır. Güç farkı seviyesi belli bir eşik değerin altında ise kullanıcıların noktalara olan mesafesi yakındır ve bu durumdaki kullanıcılar CoMP yapan kullanıcılar kümesi olarak belirlenir. Ayrıca, güç farkı seviyesi eşik değerin altında olan kullanıcıların hücre kıyısında olduğu anlaşılmaktadır.Literatürdeki mevcut çalışmalarda CoMP modelinin DBS'ler tarafından kullanılmasını analiz eden bir çalışma bulunmamaktadır. Bu tezde, içerisinde dron hücreleri barındıran bir şebekede görüş çizgisi (LoS) modeli ile yol kayıpları hesaplanmıştır. CoMP tekniği kullanılarak hücre kıyısı kullanıcıları için performans arttırımı amaçlanmış ve bu yöntemden yararlanmak için alınan işaret gücü temelli bir yapı önerilmiştir. DBS'lerin JT-CoMP tekniğiyle işaret girişiminin engellenip kullanıcıya sunulan performansın arttırılması amaçlanmıştır. DBS'lerin kullanıcının doğrudan görüş hizasında bulunmasının avantajıyla LoS olasılığına bağlı hesaplanan bir yol kaybı modeli kullanılmıştır. Havadan zemine kanal modeli (air-to-ground), karasal modellerden farklılık göstermektedir. Havadan zemine yol kaybını hesaplarken LoS olasılığı önem taşımaktadır. Dron hücresinin havada bulunmasından dolayı LoS bağlantısı şansı, karasal modellere göre daha yüksektir. Yol kaybı, LoS olasığı ile hesaplanarak UE'lerin alınan güç değerleri hesaplanmıştır. CoMP kümeleri alınan güç temelli kümelendirme metodunda farkların belli eşik değerden düşük olmasına göre oluşturulmuştur.Benzetimlerde UE'ler belli bir alan içerisine Poisson nokta süreci uygulanarak dağıtılmıştır. Merkezde birbirlerine belli mesafede ve birbirlerinin kapsama alanında hareketsiz duran iki DBS'den, kullanıcı cihazlarının alınan güçleri hesaplanmıştır. Farklı iletim noktalarından alınan güçlerin seviye farkına göre kullanıcılar CoMP uygulanılan veya uygulanılmayan kullanıcılar olarak kümelendirilmiştir.Kullanıcıların CoMP uygulanılan ve CoMP uygulanılmadığı durumdaki performansları veri hacmi, yüzde beşinci spektral verim, kapsama alanı dışında kalma olasılıkları açısından karşılaştırılmıştır. Veri hacmi farkının ve yüzde beşinci spektral verimin, olasılık yoğunluk fonksiyonları (probability density function, PDF) ve birikimsel dağılım fonksiyonları (cumulative distribution function, CDF) incelenmiştir. CoMP yapılan durumlarda veri hacmi farkının ve spektral verimin arttığı gözlemlenmiştir. CoMP tekniğinin SINR değerini arttırması ile kapsama alanı dışında kalma olasılığının da azaldığı incelenmiştir.

Next generation communication technologies offer users high data rate in every environment. Macrocells may be insufficient where the number of users instantaneously increases or on the occurrence of extraordinary situations like natural disasters. Therefore, drone cells are going to be a part of heterogeneous networks in 5G thanks to their mobile capabilities.Through drone cells, service quality and network capacity can be improved in the fields with a high amount of users. Having the ability to fly beyond line of sight (LoS), there is a remarkable decrease in the path loss of the signal transmitted from drone base station (DBS). LoS probability in a network consisted of multi drone cells is analysed and the path loss derived from the LoS probability as a function of altitude is presented. The optimum flying height and operating frequencies are presented.Using multiple drones close to each other in the same spectrum band and coverage area creates interference problems. With the joint transmission coordinated multipoint (JT-CoMP) technique introduced by 3GPP, it is both aimed to improve the performance of cell edge users and to increase the capacity for them while mitigating interference. Preventing and exploiting from interference, it is possible to effectively utilize it for the DBSs flying close to each other. Accordingly, in this thesis, the user equipments (UEs) are clustered whether they utilize CoMP or not regarding their received power level difference (PLD) from different DBSs. JT-CoMP technique is used to increase the system performance for cell edge users that are identified according to their PLD values. In the simulations, the Poisson point process is used to distribute the UEs in the simulation area. Signal-to-interference-noise-ratio (SINR) of each UE, that is receiving service from a DBS, is calculated. Based on the SINR calculations, the throughput difference and the 5th-percentile spectral efficiency of the users with and without CoMP are presented.Furthermore, we analyze the outage probability performance of multi drone-cells as a function of SINR treshold with and without CoMP.