Relay facilitated ultra reliable and low latency communication in UAV-assisted wireless cellular systems

Ultra-reliable and low-latency communication (URLLC) is one of the key differentiators in the fifth generation (5G) networks. Mission-critical applications require URLLC to support important use cases such as remote control of robots, vehicle-to-vehicle (V2V) communications, tactile internet, industrial automation, etc. URLLC is characterised by short packets that have strict latency and reliability constraints. As per the 3rd generation partnership project (3GPP) URLLC requirements, it is anticipated that the reliability of a transmission of a 32-byte packet must be at least 99.999% and the latency should be no more than 1 milliseconds. However, in any cellular network, the communication is largely dependent on fixed infrastructure (base stations), which could be critically disrupted in case of natural disasters such as floods, earthquakes, tsunamis or hurricanes. These disasters can cause the communication infrastructures, such as cell towers and Land Mobile Radio System (LMRS) repeaters, to become dysfunctional. In such cases, there is a need to deploy a temporary communication infrastructure to surmount the lack of connectivity. Existing cloud and communication infrastructures are not designed to operate in such conditions. Recently, Unmanned Aerial Vehicle (UAV) assisted communication has attracted considerable attention as it provides wireless connectivity to devices in areas that lack infrastructure coverage. Such a technology has received considerable research interest due to its flexible deployment and the dominance of Line-of-Sight (LoS) links. In fact, UAVs provide superior performance by dynamically adjusting their state to best suit the communication needs. For example, the high altitude of UAVs allows for LoS communication that mitigates shadowing and signal blockage. Moreover, UAVs can act as flying relays between the transmitting and receiving devices. However, with only one UAV deployed, it can be difficult to achieve the probability of LoS and network availability for critical URLLC applications, while keeping cost and system complexity requirements met. To harness the advantages of UAVs in these situations and minimize the drawbacks at the same time, an alternative solution is to deploy a multi-UAVs system, which could utilize the inter-connectivity to maintain uninterrupted communication with a ground control station. Inspired from the paper, “UAV-Assisted Uplink Transmission for Ultra-reliable and Low-latency Communications” [1], I worked on improving the probability of LoS by having an additional UAV. I have explored the potential use of fixed relays to support URLLC in different types of environments such as Suburban, Urban, Dense urban, and High-rise urban. The key idea is to leverage better link qualities provided in UAV communication systems. As a main contribution of the work, I have characterized latency, reliability, and network availability of UAV communication systems. In my thesis work, the main idea is to place a fixed UAV on the side of the rooftop of a building that acts as a relay to increase the probability of LoS between the transmitter and the main UAV that acts as a flying base station. Notably, two-hop amplify and forward (AF) relay can provide significant improvements in the channel capacity, channel gain, as well as quality of service (QoS). Numerical results proved that the additional relayed UAV has increased the chance of LoS that increases the reliability and achievability. This is very important for critical and real-time applications.

La comunicazione ultra affidabile e a bassa latenza (URLLC) è uno dei principali fattori di differenziazione nelle reti di quinta generazione (5G). Le applicazioni mission-critical richiedono che URLLC supporti importanti casi d'uso come il controllo remoto di robot, comunicazioni di topo veicolo-a-veicolo (V2V), Internet tattile, automazione industriale, ecc. URLLC è caratterizzato da pacchetti corti che hanno rigidi vincoli di latenza e affidabilità. In base ai requisiti URLLC del progetto di partnership di terza generazione (3GPP), si prevede che l'affidabilità di una trasmissione di un pacchetto a 32 byte deve essere almeno del 99,999% e la latenza non deve essere superiore a 1 millisecondi. Tuttavia, in qualsiasi rete cellulare, la comunicazione dipende in gran parte dall'infrastruttura fissa (stazioni base), che potrebbe non essere disponibile nel caso di disastri naturali come inondazioni, terremoti, tsunami o uragani. Questi disastri possono causare il malfunzionamento delle infrastrutture di comunicazione, come le torri cellulari e i ripetitori del Land Mobile Radio System (LMRS). In questi casi, è necessario implementare un'infrastruttura di comunicazione temporanea per superare la mancanza di connettività. Le infrastrutture cloud e di comunicazione esistenti non sono progettate per funzionare in tali condizioni. Recentemente, la comunicazione supportato da Unmanned Aerial Vehicle (UAV) ha suscitato un notevole interesse in quanto forniscono connettività wireless ai dispositivi in aree prive di copertura infrastrutturale. In particolare ha attirato interesse dal punto di vista della ricerca grazie alla sua flessibilità di implementazione e al predominio dei collegamenti radio in visibilità diretta (LoS). Gli UAV forniscono prestazioni superiori regolando dinamicamente il loro stato per soddisfare al meglio le esigenze di comunicazione. Ad esempio, l'alta quota degli UAV consente la comunicazione LoS che mitiga le ombre e il blocco del segnale. Inoltre, gli UAV possono fungere da relè volanti tra i dispositivi di trasmissione e ricezione. Tuttavia, con un solo UAV distribuito, può essere difficile ottenere la probabilità di LoS e disponibilità di rete per le applicazioni URLLC, mantenendo al contempo soddisfatti i requisiti di costo e complessità del sistema. Per sfruttare i vantaggi degli UAV in queste situazioni e contemporaneamente ridurre al minimo gli svantaggi, una soluzione alternativa è un sistema multi-UAV distribuito, che sfrutta l'interconnessione reciproca per mantenere una comunicazione continua con la stazione di controllo. Prendendo spunto dall’articolo " UAV-Assisted Uplink Transmission for Ultra-reliable and Low-latency Communications " [1] come riferimento, ho lavorato per migliorare la probabilità di LoS con un relè fisso. Ho esplorato il potenziale utilizzo di relè fissi per supportare URLLC in diversi tipi di ambienti come suburbano, urbano, urbano denso e urbano a molti piani. L'idea chiave è sfruttare le migliori qualità di collegamento fornite nei sistemi di comunicazione UAV. Abbiamo caratterizzato la latenza, l'affidabilità e la disponibilità di rete dei sistemi di comunicazione UAV. Nel mio lavoro di tesi, posizionando relè fisso sul contorno del tetto di un edificio è possibile migliorare la probabilità di LoS tra il trasmettitore e l'UAV principale. In particolare, il relè di tipo amplify and forward (AF) a due hop può fornire miglioramenti significativi nella capacità del collegamento, nel guadagno del canale e nella qualità del servizio (QoS). I risultati numerici dimostrano che il relè fisso aggiuntivo migliora la possibilità di LoS, l'affidabilità e la praticabilità. Questo è molto importante per le applicazioni critiche che devono operare in tempo reale.