This paper proposes an ultra-reliable device-centric uplink (URDC-UL) communication scheme for airborne networks. In particular, base stations (BSs) are mounted on unmanned aerial vehicles (UAVs) that travel to schedule UL transmissions and collect data from devices. To attain an ultra-reliable unified device-centric performance, the UL connection is established when the UAV-BS is hovering at the nearest possible distance from the scheduled device. The performance of the proposed URDC-UL scheme is benchmarked against a stationary UAV-centric uplink (SUC-UL) scheme where the devices are scheduled to communicate to UAV-BSs that are continuously hovering at static locations. Utilizing stochastic geometry and queueing theory, novel spatiotemporal mathematical models are developed, which account for the UAV-BS spatial densities, mobility, altitude, antenna directivity, ground-to-air channel, and temporal traffic, among other factors. The results demonstrate the sensitivity of the URDC-UL scheme to the ratio between hovering and traveling time. In particular, the hovering to traveling time ratio should be carefully adjusted to maximize the harvested performance gains for the URDC-UL scheme in terms of link reliability, transmission rate, energy efficiency, and delay. Exploiting the URDC-UL scheme allows IoT devices to minimize transmission power while maintaining unified reliable transmission. This preserves the device's battery and addresses a critical IoT design challenge.


翻译:本文针对航空网络提出了一种超高可靠性设备中心上行(URDC-UL)通信方案。具体而言,基站(BS)搭载于无人机(UAV)上,通过移动调度上行链路传输并从设备处收集数据。为实现统一且超可靠的设备中心性能,当无人机基站悬停在距离被调度设备最近的位置时建立上行连接。将所提出的URDC-UL方案与固定无人机中心上行(SUC-UL)方案进行性能对比,后者中设备被调度与持续悬停在固定位置的无人机基站通信。利用随机几何与排队论,建立新型时空数学模型,该模型考虑了无人机基站的空间密度、移动性、飞行高度、天线方向性、地空信道以及时间流量等因素。结果表明,URDC-UL方案对悬停时间与移动时间之比高度敏感。特别是,需精心调整悬停与移动时间比,以最大化URDC-UL方案在链路可靠性、传输速率、能量效率和时延方面的性能增益。利用URDC-UL方案可使物联网设备在保持统一可靠传输的同时最小化发射功率,从而延长设备电池寿命,应对物联网设计中的关键挑战。

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