شبکه پهپاد و IoT در آسمان برای شهرهای هوشمند آینده

سعید چاره جو، کارشناس ارشد مهندسی نرم افزار
الگوی شهرهای هوشمند، صنعت مخابرات را به طور مستقیم به رشد اقتصادی پایدار و کیفیت بالای زندگی مرتبط می‌سازد. برای مطابقت با این روند، این مقاله یک شبکه 5G IoT را با UAV برای معماری شهری هوشمند آینده توسعه می‌دهد. ما به طور خاص بر IoT در آسمان برای متحد کردن جهان از طریق دستگاه‌های هوشمند ناهمگن از طریق اتصال ۳ بعدی تاکید می‌کنیم. در طراحی ما، UAVها با اتصال به تعدادی از ایستگاه‌های مبنا بر روی زمین، یک شبکه IoT سلسله مراتبی 5G را در آسمان تشکیل می‌دهند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که پهپاد راهبر بر عملکرد کل سیستم تاثیر بسزایی دارد و رویکرد پیشنهادی، برتری آشکاری نسبت به رویکردهای ارائه می¬دهد.

مقدمه
اینترنت اشیا (IoT) پیش‌بینی می‌کند که در آینده نزدیک، اشیاء زندگی روزمره به میکرو کنترل کننده، فرستنده و گیرنده¬هایی برای ارتباطات دیجیتالی و ذخیره پروتکل¬های مناسب مجهز خواهند شد که آن‌ها را قادر می‌سازد تا با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. مفهوم شهر هوشمند به سرعت در حال جلب توجه است، زیرا نمونه IoT به یک بافت شهری توجه ویژه‌ای را در سراسر جهان جلب کرده‌است [ ۱ ]. بدون تعریف دقیق، هدف نهایی شهر هوشمند، استفاده بهتر از منابع عمومی، بهبود کیفیت خدمات ارائه‌شده به شهروندان و کاهش هزینه‌های عملیاتی ادارات دولتی است.
کاربردهای IoT در همه انواع دستگاه‌های سلولی تکثیر خواهند شد تا زیرساخت شهرهای هوشمند را بسازند. این مطالعه به طور خاص بر روی IoT در آسمان متمرکز است که توسط تعدادی از پرنده¬های هدایت پذیر بدون سرنشین از راه دور(پهپاد) (UAV) به چندین ایستگاه پایه موج میلیمتری (BS) روی زمین متصل می‌شود. UAVها نه تنها می‌توانند با زمین ارتباط برقرار کنند بلکه از طریق شبکه تک‌کاربردی برای برقراری ارتباط با یکدیگر، خوشه‌هایی را تشکیل می‌دهند. این خوشه¬بندی در بسیاری از سناریوها منطقی خواهد بود، به خصوص زمانی که یک پهپاد منابع کافی نداشته باشد و یا برای تکمیل یک وظیفه نیاز به اتصال به وسایل IoT داشته باشد. علاوه بر این، می‌تواند از تکنولوژی ارتباطات بی‌سیم با دامنه کوتاه برای دستیابی به اشتراک تجهیزات IoT، منابع رایانش و لینک‌های انتقال داده بین UAVها استفاده کند [ ۲ ].
در شبکه خوشه‌ای بالای هوا، پهپاد راهبر نقش مهمی را با عملکرد به عنوان مرکز ادغام داده‌ها، کنترل‌کننده تشکیل فرم و دروازه شبکه ایفا می‌کند. در این سیستم هر گونه اطلاعات مورد نظر را می¬توان از طریق دستگاه‌های IoT کنترل از راه دور نصب‌شده بر روی UAVs، هر زمان که روشن و خاموش بشود، جمع‌آوری کرد.
در زمان مناسب. پهپاد راهبر، سیستم هدایت¬گر واقعی است که مسئولیت هماهنگی عملیات‌های سایر UAVs و وسایل IoT آن‌ها را بر عهده دارد.
عمر باطری یک پهپاد همیشه به عنوان یک چالش در نظر گرفته می¬شود. عمر طولانی باتری پهپاد راهبر، به طور مستقیم بر اثر ارتباطی کل نسل پنجم (۵G) پهپاد بر سیستم IoT، تاثیر می‌گذارد. امروزه، انواع جدیدی از باتری‌ها، مانند باتری‌های سوختی و خورشیدی، ابداع شده‌اند که به افزایش طول عمر پهپادها در آسمان کمک می‌کنند. طول عمر این باتری‌ها می‌تواند به چندین یا حتی ده‌ها ساعت برسد. علاوه بر این، یک پهپاد به عنوان یک ابزار پیاده¬سازی سریع می‌تواند به طور دوره‌ای برای شارژ مجدد پس از یک زمان مشخص به نقطه شروع بازگردد و این کار را برای برای مدت طولانی برای پهپاد راهبر انجام دهد.
چندین چالش برای کاهش اثرات مسائل ایجاد شده توسط یک پهپاد راهبر وجود دارد [ ۳ ]. اولین چالش این است که از آنجا¬ئیکه تعداد زیادی از وسایل IoT به طور همزمان به شبکه دسترسی دارند، منابع طیف گسترده¬ای مورد نیاز خواهد بد. دوم، با توجه به قابلیت‌های رایانش و ذخیره‌سازی محدود وسایل IoT، بسیاری از کاربردهای نوظهور بر روی IoT نیاز فوری به بارگیری بر روی سرویس ابری دارند. سوم، سیستم سلولی کنونی برای پشتیبانی از تعداد محدودی از اتصالات با ترافیک داده‌های مرتبط با سرعت بالا طراحی شده‌است [4]، و در نتیجه با خدمات درخواستی IoT، یعنی تعداد زیادی از اتصالات با سرویس‌های ارتباطی پایین با محدودیت‌های مختلف تاخیری، انطباق ندارد.
این مطالعه تلاش می‌کند تا موانع ایجاد شده توسط پهپاد راهبر را به روشی کارآمد حل کند [ ۵ ]. به طور خاص، یک ساختار چند UAV سلسله مراتبی جدید برای هماهنگی تیم و ردیابی مسیر پیشنهاد خواهد شد. رویکرد سلسله مراتبی در شکل‌گیری پهپاد، عمدتا مسئول رفتار گروهی، الگوی کنترل، برنامه‌ریزی مسیر، و تخصیص وظیفه خواهد بود. ایمنی ترافیک هوایی نیز می‌تواند توسط مکانیسم سلسله مراتبی با روش‌های مختلف در فواصل مختلف، تضمین شود. در سطح بالاتر، برنامه‌ریزی ماموریت جهانی، به عنوان یک فرمانده عمل می‌کند. در سطح پایین¬تر، ردیابی به UAVها کمک می‌کند تا با اولویت‌های خود حرکت کنند.
در طراحی ما، تنها یک پهپاد راهبر در یک سناریوی خاص در نظر گرفته شده است. این پهپاد راهبر نیاز به ارتباطات سنگین با زمین دارد و این باعث وارد شدن فشار بالایی از نظر پهنای باند و انتقال به پهپاد می¬شود. برای غلبه بر چالش‌های بیان شده در بالا، فرض می‌کنیم که پهپاد راهبر می‌تواند با اتصال همزمان به چندین ایستگاه رادیویی ۵G در آسمان، یک شبکه IoT سلسله مراتبی را در آسمان تشکیل دهد. علاوه بر این، انتظار داریم که پرتودهی دقیقی با پهپاد راهبر انجام شود که موجب نرخ انتقال داده بسیار بالاتری خواهد شد [ ۶ ].
بقیه این مقاله به شرح زیر سازماندهی شده‌است. ابتدا ساختار کلی سیستم و ویژگی‌های اصلی یک پهپاد راهبر را در بخش زیر معرفی می‌کنیم. سپس خاصیت چند پرتوسازی آنتن استوانه¬ای را برای تحویل و کنترل تشکیل فرم پهپاد بررسی می‌کنیم. پس از آن، نتایج شبیه‌سازی را بیان کرده تا توجیه عملکرد سیستم استخراج شده را ارائه کنیم. سپس در انتهای مقاله نتیجه‌گیری خود را ارائه خواهیم کرد.
مدل سیستمی
انتظار می‌رود که UAVها بخش مهمی از شبکه IoT ۵G باشند و پخش بی‌سیم یا انتقال یک نقطه به چند نقطه توسط UAVها بهبود زیادی پیدا خواهد کرد. از آنجا که UAVs دارای حداکثر ارتفاع عملیاتی، طیف گسترده‌ای از پوشش و توان محاسبات قوی و استقامت هستند، شبکه آینده ۵G IoT از این ساختار چند طبقه، استفاده بیشتری خواهد کرد.
هنگامی که شرایط ارتباطی شدیدی بر عملیات حاکم باشند، مانند خدمات رسانی تحت شرایط سایه یا تداخل شدید، UAVها احتمالا به جایگزین یا تکمیل¬کننده شبکه‌های سلولی زمینی، تبدیل خواهند شد. علاوه بر این، زمانی که نصب فوری زیرساخت‌های جدید امکان پذیر نباشد، UAVها می‌توانند با حذف کامل یا جزئی کاربران به شبکه زمینی کمک کنند. بنابراین، آن‌ها می‌توانند به طور گسترده در خانه‌های هوشمند، سیستم‌های حمل و نقل هوشمند، شهرهای هوشمند، کاربردهای صنعتی، و مراقبت‌های بهداشتی هوشمند به کار روند.
ساختار سلسله مراتبی و غیر همگن اینترنت اشیاء پهپادی UAV IoT
IoT که در این مطالعه مورد بحث قرار گرفته دارای یک معماری سلسله مراتبی با چهار سطح است. همان طور که در شکل ۱نشان‌داده شده‌است، سطح ۱، طراحی کامل مانور، تولید مسیر و ردیابی خط سیر پهپاد راهبر و همه پهپادهای پیرو را شامل می شود. سطح ۲ شامل خلبانی پیروها، تعریف ایستگاه هوایی و سرعت متغیر پهپاد راهبر است. سطح ۳، تولید مسیر پهپادهای پیرو و تولید ایستگاه¬های هوایی مجازی را شامل می¬شود. سطح ۴ یک پهپاد پیرو خاص است که شامل گرایش، سرعت و سنسورهای موقعیت است. همچنین سطح ۴ شامل دستورها مورد نیازی است که با استفاده از ساختار مبتنی بر اولویت با توجه به ابزارهای حسگر و نظاره گر عمل می‌کنند [ ۷ ]. پهپاد راهبر با BS ها ارتباط برقرار می‌کند و شامل مرکز ادغام، کنترل تشکیل فرم و دروازه شبکه است، که همه این ویژگی¬ها آن را در یک موقعیت بحرانی قرار می‌دهند.

شکل ۱. چهارچوب پهپاد بر پایه IoT برای شهرهای هوشمند.

کنترل تشکیل فرم
کنترل تشکیل فرم در فرآیند پرواز حیاتی است. چالش این بخش، طراحی یک کنترل‌کننده ساده اما استوار است [ ۸ ]. از آنجا که UAVها نمی‌توانند تاثیر جفت‌های گردابه¬ای بسیار غیر خطی بین چند UAVها را برطرف کنند، عوامل عدم قطعیت زیادی در فرآیند پرواز به وجود می¬آیند [ ۹ ]. بنابراین، وجود یک کنترل‌کننده پرواز بسیار پایدار برای کنترل پرواز “UAVهای پیرو” و حفظ و پیکربندی مجدد شکل‌گیری پرواز ضروری است. همان طور که در شکل ۲، نشان‌داده شده‌است. پهپاد راهبر، شامل یک کنترل‌کننده تشکیل فرم است که مسئول برقراری ارتباط با UAVهای پیرو و آموزش پرواز با حفظ فرم به آن¬ها خواهد بود.

شکل ۲. نقش پهپاد راهبر در کنترل تشکیل فرم.

کنترل تشکیل فرم، هسته تشکیل یک فرم پرواز چندین پهپاد است و نقش مهمی را در تکمیل کارآمد و قابل‌اطمینان وظایف ایفا می‌کند. زمانی که پهپاد راهبری برای هماهنگی این فرمان ها وجود نداشته باشد، UAVها سیگنال کنترل یکپارچه¬ای دریافت نمی‌کنند. بنابراین، پرواز در حالت سردرگمی خواهد بود. در این حالت، تشکیل یک صف منظم و تکمیل کار هماهنگی بسیار دشوار است. با این حال، وقتی یک کنترل‌کننده (به طور خاص پهپاد راهبر) به فرم پهپادها اضافه می شود می تواند دستورالعمل‌های مناسبی را براساس شرایط موجود و الزامات ماموریت تشکیل فرم پهپادها ایجاد و ارسال کند. این کار می‌تواند یک صف منظم ایجاد کرده و تنظیمات در زمان واقعی را ممکن سازد. به علاوه، هر پهپاد تنها، به برقراری ارتباط با پهپاد راهبر نیاز خواهد داشت. از این رو کارایی کنترل بالایی را می¬توان با مقدار کمی از داده¬ها به دست آورد. معرفی پهپاد راهبر، انعطاف‌پذیری فرآیند تشکیل فرم را به میزان زیادی افزایش می‌دهد و در نظر گرفتن سناریوهای ماموریت پیچیده¬تری را مقدور ساخته و نرخ امنیت و درجه تکمیل عملیات پرواز را تا حد زیادی بهبود می-بخشد.
سردسته و دروازه خوشه شبکه
علاوه بر ارتباطات پهپاد با زمین، UAV ها از ارتباطات بی‌سیم کوتاه برد برای تشکیل خوشه‌ها در یک شبکه خود سازماندهی شده، [ ۱۰ ] برای به اشتراک گذاشتن وسایل IoT، منابع رایانشی و لینک‌های انتقال داده [ ۱۱ ] استفاده می‌کنند. در یک خوشه، یک پهپاد (پهپاد راهبر) به عنوان سردسته خوشه‌ای انتخاب می‌شود تا نماینده ای از UAVهای دیگر باشد و داده‌های IoT را به ایستگاه‌های زمینی منتقل کند. این روش خوشه‌بندی هنگامی که UAVها توان فردی و منابع محاسباتی کافی برای تکمیل یک کار را نداشته باشند و یا برای تکمیل یک کار به دستگاه‌های IoT دیگری نیز نیاز داشته باشند، بسیار سودمند است.
در نقطه میانی، هسته¬ها با توجه به سکوهای G۵ IoT، برای مثال، نقطه دسترسی (AP) یا دروازه (GW) به نام های متفاوتی خوانده می شوند. به طور مشابه، با توجه به سکوهای G۵ IoT، به پهپاد راهبر می‌توان به عنوان پایگاه AP، مرکز مدیریت، پایگاه اینترنتی، مرکز یا سرور مبتنی بر ابر ارجاع کرد، که به همین دلیل، پهپاد راهبر، وظیفه سردسته خوشه شبکه و دروازه را برعهده دارد.
مرکز ادغام داده IoT
یک وظیفه متداول در شبکه IoT مبتنی بر پهپاد، انتقال داده¬های دریافت شده به یک پهپاد راهبر است که مرکز تجمع داده‌ها محسوب می شود. با این حال، کسب، ذخیره و انتقال داده‌ موثر در میان طیف گسترده‌ای از کاربران هنوز هم یک چالش محسوب می¬شود. همان طور که در شکل ۳، نشان‌داده شده‌است. پهپاد راهبر، مرکز تجمع داده‌ها را نشان می‌دهد. با ارائه اطلاعات فشرده به شبکه G۵ IoT مبتنی بر پهپاد، میزان اعوجاج و تلاش برای انتقال ارتباط داده‌های دریافتی به حداقل می‌رسد. علاوه بر این، بازسازی و تحلیل داده‌ها نیز در پهپاد راهبر رخ می‌دهد. بنابراین، شبکه G۵ IoT مبتنی بر پهپاد، یک ساختار انعطاف‌پذیر است که انواع مختلف کسب اطلاعات را در IoT ممکن می‌سازد [ ۱۲ ].

شکل ۳. بهبود ظرفیت و کیفیت انتقالات با پرتودهی چند گانه از یک آنتن استوانه‌ای.

در یک شبکه G۵ IoT مبتنی بر پهپاد، هر سکو دارای یک ساختار است که شامل تجهیزات ترمینال، یک مرکز ادغام و یک مرکز هسته خواهد بود. دستگاه پایانه، اطلاعات هدف خود را ثبت می‌کند و مرکز هسته مسئول جمع آوری داده¬های ارسالی از دستگاه‌های متعدد و ارسال آن¬ها به پهپاد راهبر خواهد بود. در نهایت، تمام اطلاعات به پهپاد راهبر انتقال داده می‌شود، و داده‌ها پردازش‌ و مدیریت و به طور جداگانه تحلیل می‌شوند.
چالش¬های UAV راهبر
پهپاد راهبر برای کل مدل سیستم بسیار مهم است، اما برخی چالش‌های بالقوه نیز برای آن وجود خواهند داشت.
اگر چه پهپاد راهبر، قابلیت‌های موثری خواهد داشت، چالش‌های زیادی از جمله برنامه‌ریزی خط سیر و کنترل تحرک UAVها نیز برای آن وجود دارد. یافتن بهترین مسیر پرواز برای UAVها همیشه یک وظیفه چالش برانگیز برای پهپاد راهبر محسوب می¬شود [ ۱۳ ]. علاوه بر این، پهپاد راهبر هنوز چالش بزرگتری دارد که ارتباط بین راهبر و سایر UAVها است. قدرت رایانش راهبر به میزان زیادی بر روی مرکز ادغام و کنترل‌کننده تشکیل فرم، تاثیر می‌گذارد و فرآیند اندرکنش بین این پهپاد و BSهای زمینی باعث ایجاد یک تنگنای ترافیکی خواهد شد. این مسئله به میزان زیادی بر عملکرد دروازه شبکه تاثیر می‌گذارد.
چالش اصلی ناشی از حرکت سریع UAVها در یک سیستم ارتباطی بی‌سیم سلولی، انتقال میان سلول‌های کوچک است که می‌تواند تا حد زیادی منجر به افت تماس و اتصال شود. بنابراین، می¬¬بایست توجه ویژه‌ای به انتقالات میان UAVها در میان سلول‌های کوچک شود زیرا که کیفیت خدمات ارتباطی و قابلیت اطمینان ترافیک تحت‌تاثیر این مسئله قرار دارد.
در حال حاضر، LTE تنها می‌تواند از طرح تحویل سخت سنتی حمایت کند، که منجر به دو چالش برای انتقالات میان UAVها در محیط سلولی کوچک می شود[ ۱۴ ]. اول، انتقالات سخت می‌توانند باعث ایجاد تاخیر نسبتا بزرگ شوند؛ پهپاد پرسرعت، به قدری سریع از نواحی همپوشانی عبور می‌کند که روند انتقالات نمی‌تواند در زمان مناسب، کامل شود. دوم، سرعت انتقالات پهپاد به قدری سریع است که ممکن است بهترین موقعیت انتقال را از دست بدهد که احتمال انتقال موفق را کاهش می‌دهد [ ۱۵ ]. این نکته در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفته‌است.
انتقالات UAV و کنترل تشکیل فرم
پهپاد راهبر، مسئول ارتباط با ایستگاه‌های زمینی و ارسال اطلاعات به پهپادهای داخل فرم تشکیل شده است و بنابراین، نقش مهمی در پرواز هماهنگ پهپادها بازی می‌کند. پهپاد راهبر برای برآورده کردن میزان ارتباطات و قابلیت اطمینان لازم خدمات UAVها در یک محیط متحرک، همزمان از طریق پرتوهای متعدد با چندین ایستگاه زمینی در تماس خواهد بود. در طول پرواز، پهپاد راهبر می‌تواند با اندازه‌گیری کیفیت کانال در زمان واقعی، BS مناسب را از بین چندین BS متصل انتخاب کند، که این می‌تواند به طور قابل‌توجهی احتمال خاموشی را کاهش دهد و در نتیجه قابلیت اطمینان ارتباطات را با BS و UAVهای پیرو تضمین کند.
برای غلبه بر چالش‌های انتقالات، یک آرایه استوانه‌ای‌ شکل جدید برای تشکیل فرم پهپادها پیشنهاد شده‌است. مدل سیستم، مبتنی بر مدل ردیابی اشعه و نظریه توزیع فضایی گیرنده است که اساس محیط ارتباط را تشکیل می‌دهد. سپس، ویژگی همبستگی مدل کانال مد نظر قرار گرفته است. آرایه استوانه‌ای ‌شکل توسط توده‌های متعدد آرایه آنتن تک حلقه ساخته شده‌است. در هر دایره، چندین آنتن به طور یکنواخت روی محیط توزیع می‌شوند. در سیستم پیشنهادی ما برای صرفه‌جویی در هزینه‌ها، آرایه استوانه‌ای ‌شکل تنها برای پهپاد راهبر اعمال می‌شوند. مزایای بخصوصی برای این شکل جدید آنتن ها وجود دارد. اول اینکه، می‌تواند به طور قابل‌توجهی استحکام اتصال ارتباط را تقویت کند. آرایش استوانه‌ای بر روی پهپاد راهبر، می‌تواند به پوشش زاویه¬ای کامل دست یابد و در نتیجه کیفیت و توان دریافت شده را در زمان ارتباط موثر و راحت با BS بهبود ببخشد. علاوه بر این، عملکرد قابل‌قبولی نیز برای دریافت سیگنال پیشرونده از BS به خاطر آرایه آنتن دایره¬ای نشان می دهد.
شکل ۴ فرآیند تعاملی سیستم را به طور کامل نشان می‌دهد. دو آزمایش که به صورت A و B تعریف شده‌اند، به ترتیب پرتوهای BS را به گیرنده‌های پایه و پهپاد راهبر نشان می¬دهند. در طول تعامل بین BS ها و پهپاد راهبر، قدرت دریافتی و نسبت سیگنال به تداخل (SIR) برای تشخیص اینکه آیا پهپادی در منطقه وجود دارد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. هنگامی که توان دریافت شده در پهپاد راهبر از سناریو اولیه ابزارهای غیرپرنده افزایش یابد، سیستم mmWave پیشنهادی می‌تواند با عملکرد رضایت‌بخشی به انتقال هوایی – زمینی دست یابد.

شکل ۴. فرآیند تعامل BS و پهپاد

یک سناریوی ارتباطی پهپادهای ۳ بعدی را در شکل ۳، شبیه‌سازی می‌کنیم. در مرکز آن یک پهپاد راهبر بزرگ قرار دارد، و چند UAV کوچک نیز در سمت راست وجود دارند. به علت این که این پهپاد راهبر همچنین مرکز ادغام داده‌ها و دروازه شبکه نیز هست، می‌تواند با چندین BS در ارتباط باشد. علاوه بر این، می‌تواند شکل‌گیری فرم پهپادهای کوچک دیگر را نیز کنترل کند. یک مزیت بزرگ از آرایه استوانه‌ای در مقابل آرایه متداول کنونی، دریافت فرم است. این آرایه می‌تواند یک اسکن پرتویی برای حس کردن کاربران احتمالی در اطراف خود انجام دهد. هدف این کار جمع‌آوری سیگنال‌ها از تمام جهات خواهد بود. پهپاد راهبر، پوشش اجباری را می‌شناسد که می‌تواند پیوسته و یا چندین ناحیه جداگانه باشد. از فرآیند بالا، متوجه می‌شویم که قدرت سیگنال از تمام جهات آرایه استوانه‌ای‌شکل یکسان است و منجر به ارتباط بهتری نسبت به آرایه متداول می‌شود. بنابراین، این روش می‌تواند هم ظرفیت پهپادهای کوچک و انتقال BS ها را بهبود بخشد، و هم انتقال آسان در شبکه پهپادها را که همیشه یک چالش تکنیکی بزرگ بوده‌است، تحقق می‌بخشد.
مطالعات شبیه سازی
ما کل فرآیند گذار پهپاد از یک منطقه مرکز تجاربی را شبیه‌سازی کرده¬ایم. BS شبکه ارتباطی را با پهپاد راهبر و دریافت کننده¬های متداول در هر دو نمونه A و B ایجاد می‌کند. تفاوت این است که در مثال A، برای کنترل پرواز UAVها پرتوهای BS به کاربران معمولی و انرژی mmWave به گیرنده‌ها، با قدرت سیگنال ضعیف، انتقال داده شده است. در مثال B، BS پرتوهای پرتوان سیگنال را به عنوان سیگنال پیشرونده به پهپاد راهبر ارسال می¬کند. توان دریافتی و SIR در هر پهپاد راهبر در هر دو محیط تجربی را می¬توان برای ارزیابی کارایی سیستم پرتودهی در BS محاسبه کرد.
پارامترهای سیستم مورد استفاده در آزمایش‌های کنترل پرواز پهپادها در شکل ۵، فهرست شده‌اند. عملکرد ساختار پیشنهادی ما با شبیه‌سازی در نرم افزار MATLAB ارزیابی شده‌است. فرض بر این است که مجموعا ۷ ماکرو- BS با سه سلول در یک ناحیه با پوشش ۶۰۰-۷۰۰ متر مربع، شامل ۴۲ قطعه تجهیزات کاربری قرار گرفته به صورت تصادفی در سلول ویژه، همانطور که در شکل ۵، نشان‌داده شده‌است، وجود دارد.

شکل ۵. توپولوژی شبیه‌سازی و تنظیمات شبکه.

شکل ۶ منحنی SIR با تابع توزیع تجمعی (CDF) را نشان می‌دهد. ما شش سناریوی شبکه را شبیه‌سازی می‌کنیم. در شبکه G۵ IoT، اگر پهپاد راهبر بعنوان یک گره مهم در نظر گرفته شود، کاربران می‌توانند به SIR بالاتری دست یابند. به علاوه، اگر آنتن استوانه‌ای (CA) نیز در شبکه مورد استفاده قرار گیرد، کاربران می‌توانند SIR بهتری به دست آورند. علاوه بر این، SIR یک کاربر در هنگام استفاده از آنتن استوانه‌ای بیشتر است و اگر پیش‌بینی مسیر (TP) توسط BS انجام شود نیز SIR بالاتری می‌تواند به دست آید. علاوه بر این، اگر پیش‌بینی مسیر دقیقی توسط BS انجام شود و از آنتن استوانه‌ای نیز استفاده شود، بالاترین نرخ SIR را می¬توان توسط کاربران دریافت کرد که این حالت مشابه منحنی آبی روشن در سمت راست شکل ۶، خواهد بود.

شکل ۶. UAV SIR تحت شرایط مختلف.

نتیجه گیری
در این مقاله، ما شبکه G۵ IoT شکل گرفته توسط یک ناوگان پهبادها برای شهرهای هوشمند آینده را بررسی می‌کنیم . ساختار پیشنهادی ما برای سیستم‌های حمل و نقل هوشمند، سیستم‌های صنعتی اتوماتیک، مراقبت‌های بهداشتی هوشمند و موارد دیگر مناسب خواهد بود. مطالعه ما نشان می‌دهد که پهپاد راهبر، با عملکرد به عنوان مرکز ادغام داده‌ها، کنترل‌کننده تشکیل فرم و دروازه شبکه، نقشی محوری در سیستم دارد. علاوه بر این، آنتنی استوانه‌ای به همراه چندین mmWave به BSهای زمینی برای پهپاد راهبر در نظر گرفته شده که هم زمان مشکلات انتقال را نیز برطرف می¬کند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهند که اگر مسیر پرواز پهپاد راهبر از طریق هوش مصنوعی توسط BS پیش‌بینی شود، پرتودهی دقیق می‌تواند به طور قابل‌توجهی نرخ داده را در شبکه‌های پهپاد بهبود بخشد. بنابراین، ما در مطالعات آینده، بر روی پیش‌بینی مسیر و مساله پیش‌بینی ارتفاع پهپاد راهبر تمرکز خواهیم کرد.
مراجع
[ ۱ ] زانلا و همکاران، “اینترنت اشیا برای شهرهای هوشمند”، ” مجله اینترنت اشیاء IEEE. ، جلد. ۱، شماره. ۱، فوریه ۲۰۱۴، pp. ۲۲-۳۲.
[ ۲ ] حسین مطلق، بقا و طالب، “پهپاد براساس IoT: یک مورد استفاده از نظارت بر جمعیت”، ” مجله ارتباطات IEEE “. ، جلد ۵۵، شماره، ۲، فوریه ۲۰۱۷، pp. ۱۲۸-۳۴.
[ ۳ ]خلفی، همدائویی، گوئیزانی، استخراج و بهره‌برداری از انعطاف پذیری ذاتی سیستم برای پشتیبانی کارآمد IoT در ۵ G: چالش‌ها و راه‌حل‌های بالقوه، “IEEE ارتباطات بی سیم”. جلد 24، شماره ۵، اکتبر ۲۰۱۷، pp. ۶۸-۷۳.
[ ۴ ] ژائو، گانگ، کادوک، چندپخشی فرصت طلبانه NOMA با نگرانی‌های امنیتی در سیستم MIMO ی کلان ۵G “. مجله ارتباطات IEEE مجله جلد ۵۶، شماره ۳، مارس ۲۰۱۸، pp. ۹۱-۹۵.
[ ۵ ] جینگ یانگ، جیان، “یک چارچوب شبکه ناهمگن کارآمد از نظر انرژی و طیف برای سیستم‌های ۵G. ” مجله ارتباطات IEEE مجله، جلد ۵۲، شماره ۵، می ۲۰۱۴، pp. ۹۴-۱۰۱.
[ ۶ ] ژائو و همکاران، “ظرفیت محرمانگی شبکه‌های ۵G mmwave سلولی کوچک ” IEEE ارتباطات بی سیم. ، جلد. 25، شماره ۴، ۲۰۱۸، pp. ۴۷-۵۱.
[ ۷ ] آنوگا آلپاکوو و همکاران، “بررسی شبکه‌های ۵G برای اینترنت اشیا: فن‌آوری‌های ارتباطات و چالش‌ها،” دسترسی IEEE، جلد. ۶، دسامبر ۲۰۱۷، ص. ۹۹. شبکه IEEE * مارچ / آوریل ۲۰۱۹
[ ۸ ] حقیقی و همکاران، “یک استراتژی مبتنی بر سلسله مراتب و اولویت برای ردیابی مسیر در فرآیند پرواز پهپادها”، مهندسی مکانیک و فضایی، سپتامبر ۲۰۱۷، pp. ۷۹۷-۸۰۰.
[ ۹ ] ژانگ، “طراحی کنترلر PID برای تشکیل فرم پهپادها” پرواز، “مجله هدایت و کنترل IEEE”. ، ژانویه ۲۰۱۷، pp. ۵۹۲-۹۶.
[ ۱۰ ] B. Rong و همکاران، شبکه‌های ۵ G ناهمگن: سازماندهی و بهینه‌سازی، اسپرینگر، جولای ۲۰۱۶.
[ ۱۱ ] حسین مطلق، بقا و طالب، “پهپاد براساس” IoT: مورد استفاده از نظارت بر جمعیت، “IEEE ارتباطات”. مجله، جلد ۵۵، شماره ۲، فوریه ۲۰۱۷، pp. ۱۲۸-۳۴.
[ ۱۲ ] H. لی و ان. لی، “پردازش داده مبتنی بر حس ” برای محیط های IoT بزرگ، کنفرانس بین المللی IEEE اطلاعات. و ارتباطات . هم‌گرایی تکنولوژی، دسامبر ۲۰۱۶، pp. ۱۲۴۲-۴۶.
[ ۱۳ ] سکندر، تاباسوم و حسین، ” چند ردیف چهارچوب پهپاد برای شبکه‌های سلولی ۵G / B۵G: چالش‌ها، گرایش‌ها و چشم‌اندازها، “IEEE ارتباطات”. مجله، جلد ۵۶، شماره ۳، ۲ مارس ۲۰۱۸، pp. ۹۶-۱۰۳.
[ ۱۴ ] لی و همکاران، “ارتباطات همکارانه برای شبکه‌های بی‌سیم: تکنیک‌ها و کاربردها در سیستم‌های LTE – پیشرفته،” IEEE ارتباطات بیسیم. ، جلد. ۱۹، شماره ۲، آوریل ۲۰۱۲، pp. ۲۲-۲۹.
[ ۱۵ ] پانیگراهی، گاش، “تحلیل اثر انتقال نرم بر معیارهای ارزیابی عملکرد انتقال تحت شرایط بار،” IEEE انتقالات”. وسایل نقلیه. گروه فنی جلد ۶۷، شماره ۴، آوریل ۲۰۱۸، pp. ۳۶۱۲-۲۴.
بیوگرافی¬ها
فی چی در سال ۲۰۱۵ مدرک کارشناسی‌ارشد خود را در رشته اطلاعات و ارتباطات از دانشگاه ارتباطات مخابراتی پکن چین دریافت کرد. او در حال حاضر به عنوان مهندس در شرکت مخابرات چین کار می‌کند. در توسعه استانداردهای، مانند ITU – R WP۵D و CCSA فعال است. او مقالات و اختراعات آکادمیک بسیاری را منتشر کرده‌است. به عنوان یک رهبر پروژه، مسئول پروژه‌های شبیه‌سازی طیف بوده‌است. علایق تحقیقاتی او شامل اینترنت اشیا، شبکه‌های حمل و نقل، MIMO SAR، هوش مصنوعی و تخمین کانال هستند.
ژوئتیان ژو مدرک دکترای خود را در مهندسی اطلاعات و ارتباطات از دانشگاه ارتباطات مخابراتی پکن در سال ۲۰۰۴ دریافت کرد. او در حال حاضر به عنوان مدیر بخش و مهندس ارشد در تلکام چین کار می‌کند. مسئول پروژه‌های بزرگ ملی بوده و از مقالات علمی، اختراعات و مونوگراف های بسیاری را منتشر کرده‌است. علایق تحقیقاتی او شامل مهندسی طیف، اینترنت اشیا، شبکه وسایط نقلیه، و هوش مصنوعی هستند.
ژئه مانگ مدرک کارشناسی‌ارشد خود را در رشته مهندسی اطلاعات و ارتباطات از دانشگاه ارتباطات مخابراتی پکن در سال ۲۰۱۵ دریافت کرد. او در حال حاضر یک مهندس در تله کام چین است. در توسعه استانداردهایی، مانند ITU – R WP۵D و CCSA فعال است. متخصص طیف هسته‌ای چین و مسئول کاره‌ای طیف است. علایق تحقیقاتی او شامل ایستگاه‌های مهندسی طیف و سکوی مرتفع ارتفاع است.
میشل کادوک مدرک دکترای خود را از دریافت کرد. دانشگاه کانکوردیا در سال ۱۹۹۲. او در حال حاضر استاد تمام در دانشکده (de Superieure (ETS، دانشگاه کبک، مونترال، کانادا است. او مدیر آزمایشگاه تحقیقاتی LAGRIT در ETS است. همچنین استاد مدعو در دانشگاه کانکوردیا کانادا است. ایشان به عنوان بازرس اصلی، در یک برنامه تحقیقاتی بر روی QoS برای Multicast در شبکه‌های پرسرعت تحت حمایت بل کانادا و NSERC شرکت کرده‌است. وی در حال حاضر بر روی ارسال چنداگانه قابل‌اطمینان در شبکه‌های اد هاک بی‌سیم و شبکه‌های ناهمگن ۵G کار می‌کند. او مقالات زیادی منتشر کرده و نویسنده کتاب،protocoles et Reseaux Locaux (ویرایش ETS) است.
وی لی مدرک دکترای خود را در رشته مهندسی الکتریکی و ارتباطات از دانشگاه ویکتوریا در کانادا در سال ۲۰۰۴. دریافت کرد. او در حال حاضر استادیار دانشگاه ایلینویز شمالی است. علایق تحقیقاتی او شامل شبکه‌های هوشمند، اینترنت اشیا، شبکه هوشمند، شبکه هوشمند، یادگیری ماشین، هوش مصنوعی و تجزیه و تحلیل داده‌های بزرگ هستند.