Gelecek nesil hücresel ağlarda çoklu İnsansız Hava Aracı Baz İstasyonlarının 3D konum optimizasyonu ve yeni bir Meta-sezgisel yaklaşım


Creative Commons License

Özdağ R.

Journal Of The Faculty Of Engineering And Architecture Of Gazi University, cilt.36, sa.3, ss.1467-1482, 2021 (SCI-Expanded)

Özet

Kablosuz iletişimde İnsansız Hava Araçları (UAVs)’nın mobil Baz İstasyonları (BSs) olarak kullanılması gelecek nesil hücresel ağlarda veya afet durumlarında planlanan hizmetler için kullanılması gereken etkin bir teknik olarak ortaya çıkmaktadır. Günümüzde Alçak-irtifa Hava Platform (LAP)’ları olarak da isimlendirilen UAV’ler veya Drone’lara monte edilen BS (UAV-BS)’lerin ilgili alanda üçboyutlu (3D) yerleşimlerinin etkin bir şekilde yapılması kablosuz iletişimde Servis Kalitesi (QoS)’ni önemli oranda artırmaktadır. Bu çalışmada, Havadan Yere (ATG) modeline göre tanımlanan kentsel ortamda belirli bir mesafe aralıkları ile konumlandığı varsayılan alıcı (kullanıcı ekipmanı)’ların optimum oranda kapsanması için alandaki çoklu UAV-BS’lerin 3D dinamik dağılımlarının (konum optimizasyonu) yapılması amaçlanmıştır. Bu amaçla; Elektromanyetizma-Benzer (EML) algoritmasını esas alan Geniş Aralıklı Optimum Uygunluk Arama Algoritması (EOFSA-EML) ve Ayrık Aralıklı Optimum Uygunluk Arama Algoritması (DOFSA-EML) geliştirilmiştir. Yapılan Monte-Carlo simülasyonlarına göre; EOFSA-EML tarafından yapılan çoklu UAV-BS’lerin dinamik dağılımlarında alandaki UE’lerin maksimum sayıda kapsandığı ve alandaki ortalama kapsanma oranının optimum olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, UAV-BS’lerin konumlandığı irtifa değişim aralıklarının minimum olması EOFSA-EML tarafından daha kararlı dinamik dağılım yapıldığını göstermiştir.

The use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) as mobile Base Stations (BSs) in wireless communication is emerging as an effective technique that should be used for the services planned in the next-generation cellular networks or in disaster situations. Currently, effective 3D placement of BS mounted on UAVs or Drones (Drone-BS), also called Low-altitude Air Platforms, in the defined area significantly increases the Quality of Service (QoS) of wireless communication. This study has been aimed to be performed dynamic deployments (location optimization) of Drone-BSs randomly distributed in the 3D plane in order to optimally cover the users in the urban environment according to the Air-to-Ground (ATG) model. Using new approaches based on the Electromagnetism-Like (EML) Algorithm and the Whale Optimization Algorithm (WOA), which are widely used in the literature and are meta-heuristic, it was planned to be covered the maximum number of users on the ground by multiple Drone-BSs. In addition, Extensive-interval Optimal Fitness Search Algorithm (EOFSA-EML) and Discrete-interval Optimal Fitness Search Algorithm (DOFSAEML) approaches were developed based on the EML algorithm. Based on comparison metrics for multiple Drone-BSs distributed by EOFSA-EML, DOFSA-EML, and Pure-WOA, it has been found that EML-based algorithms achieve optimal results compared to Pure-WOA.