Aerial base station placement in temporary-event scenarios

Andryeyev, Oleksandr GND

Die Anforderungen an den Netzdatenverkehr sind in den letzten Jahren dramatisch gestiegen, was ein großes Interesse an der Entwicklung neuartiger Lösungen zur Erhöhung der Netzkapazität in Mobilfunknetzen erzeugt hat. Besonderes Augenmerk wurde auf das Problem der Kapazitätsverbesserung bei temporären Veranstaltungen gelegt, bei denen das Umfeld im Wesentlichen dynamisch ist. Um der Dynamik der sich verändernden Umgebung gerecht zu werden und die Bodeninfrastruktur durch zusätzliche Kapazität zu unterstützen, wurde der Einsatz von Luftbasisstationen vorgeschlagen. Die Luftbasisstationen können in der Nähe des Nutzers platziert werden und aufgrund der im Vergleich zur Bodeninfrastruktur höheren Lage die Vorteile der Sichtlinienkommunikation nutzen. Dies reduziert den Pfadverlust und ermöglicht eine höhere Kanalkapazität. Das Optimierungsproblem der Maximierung der Netzkapazität durch die richtige Platzierung von Luftbasisstationen bildet einen Schwerpunkt der Arbeit. Es ist notwendig, das Optimierungsproblem rechtzeitig zu lösen, um auf Veränderungen in der dynamischen Funkumgebung zu reagieren. Die optimale Platzierung von Luftbasisstationen stellt jedoch ein NP-schweres Problem dar, wodurch die Lösung nicht trivial ist. Daher besteht ein Bedarf an schnellen und skalierbaren Optimierungsalgorithmen. Als Erstes wird ein neuartiger Hybrid-Algorithmus (Projected Clustering) vorgeschlagen, der mehrere Lösungen auf der Grundlage der schnellen entfernungsbasierten Kapazitätsapproximierung berechnet und sie auf dem genauen SINR-basierten Kapazitätsmodell bewertet. Dabei werden suboptimale Lösungen vermieden. Als Zweites wird ein neuartiges verteiltes, selbstorganisiertes Framework (AIDA) vorgeschlagen, welches nur lokales Wissen verwendet, den Netzwerkmehraufwand verringert und die Anforderungen an die Kommunikation zwischen Luftbasisstationen lockert. Bei der Formulierung des Platzierungsproblems konnte festgestellt werden, dass Unsicherheiten in Bezug auf die Modellierung der Luft-Bodensignalausbreitung bestehen. Da dieser Aspekt im Rahmen der Analyse eine wichtige Rolle spielt, erfolgte eine Validierung moderner Luft-Bodensignalausbreitungsmodelle, indem reale Messungen gesammelt und das genaueste Modell für die Simulationen ausgewählt wurden.

As the traffic demands have grown dramatically in recent years, so has the interest in developing novel solutions that increase the network capacity in cellular networks. The problem of capacity improvement is even more complex when applied to a dynamic environment during a disaster or temporary event. The use of aerial base stations has received much attention in the last ten years as the solution to cope with the dynamics of the changing environment and to supplement the ground infrastructure with extra capacity. Due to higher elevations and possibility to place aerial base stations in close proximity to the user, path loss is significantly smaller in comparison to the ground infrastructure, which in turn enables high data capacity. We are studying the optimization problem of maximizing network capacity by proper placement of aerial base stations. To handle the changes in the dynamic radio environment, it is necessary to promptly solve the optimization problem. However, we show that the optimal placement of aerial base stations is the NP-hard problem and its solution is non-trivial, and thus, there is a need for fast and scalable optimization algorithms. This dissertation investigates how to solve the placement problem efficiently and to support the dynamics of temporary events. First, we propose a novel hybrid algorithm (Projected Clustering), which calculates multiple solutions based on the fast distance-based capacity approximation and evaluates them on the accurate SINR-based capacity model, avoiding sub-optimal solutions. Second, we propose a novel distributed, self-organized framework (AIDA), which conducts a decision-making process using only local knowledge, decreasing the network overhead and relaxing the requirements for communication between aerial base stations. During the formulation of the placement problem, we found that there is still considerable uncertainty with regard to air-to-ground propagation modeling. Since this aspect plays an important role in our analysis, we validated state-of-the-art air-to-ground propagation models by collecting real measurements and chose the most accurate model for the simulations.

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