Air to ground channel characterization in an indoor-to-outdoor scenario

In this thesis I focused on an Air-to-Ground transmission, where the communication takes place in an urban environment from a terminal inside a building towards outdoor unmanned aerial vehicle (UAV) or drone, with mini base station on board. The motivations behind this study are referred to the progressive increasing damages trend caused by natural disasters and emergency situations that cause damage to the traditional network infrastructure, inducing the consecutive necessity to explore alternative communication systems. In this sense, in order to establish a real time interactivity with UAVs, the 5G evolution can be the key that allows us to explore new solutions providing higher data speed and low-latency improvements compared to 4G and 4.5G (LTE advanced) technologies. The channel characterization has been the main contribution of this analysis, this allows to study both the link quality, which is a performance indicator for a proper reception of the signal and it is necessary to ensure the aerial wireless services to the affected users, and the necessity to provide the maximum signal coverage. The characterization was conducted by using Wireless Insite ray-tracing software, through which I carried out an inspection on the distribution of the received power density w.r.t receivers positions. Also, I studied the direction of arrival in terms of angle of arrivals, obtaining results that can be used in future to improve performance. Angle of Arrivals are positional information that can be extracted via measurements observed and contextual data and can be useful to formulate and develop new localization approaches that may allow to quickly locate people.

In questa tesi mi sono concentrato su una trasmissione Air-to-Ground nella quale la comunicazione avviene in un ambiente urbano da un terminale all'interno di un edificio verso un veicolo aereo senza pilota (UAV) all’esterno con mini stazione di base a bordo. Le motivazioni alla base di questo studio si basano sul progressivo aumento dei danni causati da calamità naturali e situazioni di emergenza nelle quali si verificano danni alle tradizionali infrastrutture di rete, con conseguente necessità di esplorare sistemi di comunicazione alternativi. In questo senso, al fine di stabilire connessioni in tempo reale con gli UAV, l'evoluzione del 5G può essere la chiave che ci consenta di esplorare nuove soluzioni che ci forniscano banda maggiore, velocità più elevate e miglioramenti per quanto riguarda la latenza rispetto alle tecnologie 4G e 4.5G (LTE avanzate). Il principale contributo di questa analisi è riferito alla caratterizzazione del canale, questa infatti permette di studiare sia la qualità del collegamento, che è un indicatore di prestazione per una corretta ricezione del segnale ed è necessaria al fine di garantire i servizi wireless agli utenti interessati, sia la necessità di fornire la massima copertura possibile. La caratterizzazione è stata condotta utilizzando il software di ray-tracing Wireless Insite, attraverso il quale ho effettuato l’analisi della distribuzione della densità di potenza ricevuta cambiando le posizioni a seconda dei ricevitori considerati. Ho inoltre studiato la direzione di arrivo in termini di angoli, ottenendo risultati che possono essere utilizzati in futuro al fine di migliorare le prestazioni dei sistemi. Gli angoli di arrivo sono informazioni posizionali che possono essere estratte mediante misurazioni di dati contestuali e possono essere utili per formulare e sviluppare nuovi approcci di localizzazione che possano consentire di individuare rapidamente le persone intrappolate con un sufficiente grado di accuratezza.