Gelecek nesil haberleşme sistemlerinde insansız hava araçları için kaynak yönetim teknikleri

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.