Coverage, interference and power consumption analysis of an aerial base station in case of drone assisted device-to-device communications

Unmanned Aerial Vehicles (UAV), commonly known as drones, have been used as a low altitude platforms for many purposes. Initially they were used for military purposes, like surveillance or reconnaissance activities. Currently, they have received enormous interest in civil applications too, like search and rescue, weather detection, wildlife monitoring, farming, film making etc. With the upcoming 5G technology of base stations mounted on aerial platforms, such as UAVs, Helikite, Aerostats etc., the issues of coverage area, capacity, interference and power consumption are of massive importance in the context of cellular network. The aim of this thesis is to analyze and solve these problems, by processing data generated using a ray tracing and wireless electromagnetic propagation simulations tool called “Wireless Insite” by Remcom. Moreover, the variation in coverage area is analyzed, as a result of the inter-cell interference with respect to the movement of the UAV and its variation in height in the range between 100 m and 2000 m, on the basis of traffic intensity generated by uniformly distributed users on the ground. Three different propagation scenarios are considered: suburban, urban and urban high rise. Also, the optimal height of the aerial base station for a transmitted power of 18 dBm is identified to maximize the coverage percentage value. Then, an aerial base station power consumption analysis is done, to get the best transmitted power as a tradeoff between total consumed power and coverage percentage. Finally, the case of using an aerial base station in the case of drone-assisted Device-to-Device (D2D) communication is taken into account. A best and worst case is identified and a solution is proposed for the movement of the UAV to obtain the benefit of full coverage over partial coverage for a D2D user.

Gli aeromobili a pilotaggio remoto (APR o UAV), comunemente conosciuti come droni, sono al giorno d'oggi largamente utilizzati come piattaforme aeree a bassa quota (LAPs) per gli scopi più svariati. Inizialmente, essi erano utilizzati esclusivamente per scopi militari come operazioni di sorveglianza o attività di ricognizione. Recentemente, hanno riscosso un enorme interesse anche in applicazioni civili, come operazioni di ricerca e salvataggio, rilevamenti meteo, monitoraggio della fauna selvatica, attività agricole, film making etc. Con l'imminente tecnologia 5G di base stations montate su piattaforme aeree, come UAVs, piccoli palloni aerostatici o droni, la copertura, la capacità, l'interferenza ed il consumo di potenza sono argomenti di rilevante importanza e considerazione per le reti cellulari. L'obiettivo della tesi è analizzare queste problematiche, gestendo i dati generati tramite un software di ray tracing chiamato “Wireless Insite” offerto da Remcom. Inizialmente, viene analizzata la variazione in copertura, come risultato dell'interferenza tra celle adiacenti rispetto al movimento dell'UAV e la sua variazione in altezza (da 100 a 2000 m), sulla base del traffico generato da utenti uniformemente distribuiti. Per fare questo, si considerano tre differenti scenari di propagazione: suburbano, urbano ed urbano in presenza di grattacieli. Inoltre, viene individuata l'altezza massima della base station aerea affinché la percentuale di copertura, nel caso in cui venga trasmessa una potenza pari a 18 dBm, sia massimizzata; particolare attenzione è riservata al consumo di potenza di una base station aerea. In conclusione, si considera il caso in cui si usi una stazione base aerea per una comunicazione Device-to-Device (D2D). Il caso ottimo e il caso pessimo sono analizzati e viene proposta una soluzione che permette di passare da una situazione di copertura parziale a una totale, con tutti i benefici del caso.