ВКР Модели блокировки прямой видимости в миллиметровом диапазоне частот для приложений БПЛА

На 1 февраля 2023 года оригинальность более 80%

Могу проверить вам актуальную оригинальность работы при покупке, пишите в личку.

Оригинал документа в pdf, конвертация в Word автоматическая (в word могут быть недочеты, которые вы легко исправите самостоятельно)

В работе проведено математическое моделирование для оценки вероятности блокировки сигнала связи в городских развертываниях между беспилотными летательными аппаратами и базовыми станциями сетей 5G NR. Рассматривались три сценария расположения базовых станций: вдоль улиц, на перекрестках и на крышах зданий. В исследовании использовались методы интегральной геометрии, основным результатом моделирования является аналитическое выражение с упрощенным вычислением вероятностных характеристик. При моделировании использовались параметры города Москва и Московской области, в том числе района «МоскваСити». Данное исследование может быть полезно при оценке вероятности блокировки сигнала и, соответственно, при расставлении базовых станций сетей 5G операторами связи.

Мобильная технология LTE (англ. Long-Term Evolution) значительно изменила наш образ жизни благодаря высокой скорости передачи данных и низкой задержке. Однако, с учетом разнообразных услуг и требований, установленных современной мобильной индустрией, LTE сама по себе не способна обеспечить необходимую пропускную способность, задержку и надежность. По сравнению с LTE, 5G (англ. Fifth Generation) обеспечивает гораздо более высокую скорость передачи данных и сверхнизкую задержку за счет использования широкого спектра высокочастотных диапазонов и передовых сетевых технологий [1].

В результате этого технология 5G NR (англ. New Radio), работающая в миллиметровом диапазоне частот, в скором времени позволит обслуживать новые типы пользователей. Одним из примеров пользователей можно считать беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и их базовые станции (БС). Обслуживание таких устройств как раз таки и требует высокой пропускной способности из-за необходимости в постоянной передаче сигнала для плавного хорошо контролируемого полета и отсутствия задержки при передаче данных [2].

Многие способы использования БПЛА, например доставка товаров, видео- и аудио- мониторинг, актуальны скорее в реалиях города, из чего следует, что анализ блокировки сигнала в такой местности становится необходимым [3]. Конечно, стоит учитывать тот факт, что при моделировании блокировки прямой видимости (LoS) сложно описать передачу сигнала в городе. Из-за большого числа препятствий, располагающихся в городской среде, оценка блокировки LoS с использованием фундаментальных моделей не целесообразна. Для точной оценки требуется использовать модель, отвечающую всем параметром рассматриваемого города.

Целью работы является разработка модели, описывающей блокировку прямой видимости для БПЛА и их БС в сценариях городских развертываний, используя методы интегральной геометрии, а также анализ эффективности модели на примере типичной плотной городской застройки, использующейся преимущественно в небольших городах России, а также комплексе Москва-Сити.

Методами исследования является математическое моделирование вероятности блокировки прямой видимости с использованием методов интегральной геометрии, а именно метод, представленный и описанный в статье [4].

Научная новизна представленной работы заключается в использовании методов интегральной геометрии для составления модели блокировки сигнала между БПЛА и БС. Несмотря на то, что исследования распространения сигнала между пользователями БПЛА-БС активно публикуются, данную работу можно считать уникальной из-за использования не стохастических методов, а интегральных.

В первой части выпускной работы описаны основные характеристики свойств сетей связи, сделан упор на сети поколений 5G в миллиметровом диапазоне частот.

Вторая часть выпускной работы посвящена обзору существующих моделей блокировки прямой видимости, типам моделей и основным методам, которые используются при составлении модели.

В заключительной части работы описаны математическая модель блокировки прямой видимости, основные свойства методов интегральной геометрии, использованные в данной модели, а также проведено моделирование блокировки прямой видимости таких районов Москва, как Москва-Сити, «Чертаново», а также стандартной застройки небольших поселений Московской области.

Подготовлены тезисы на конференцию с международным участием “Information and Telecommunication Technologies and Mathematical Modeling of High-Tech Systems 2022». Доклад был представлен в виде постера.

Список сокращений ........................................................................................................ 4 Введение ............................................................................................................................ 5 Глава 1. Сети связи пятого поколения ........................................................................ 7

1.1. Основные услуги сетей пятого поколения ........................................................ 7 1.2. Особенности сетей миллиметрового диапазона частот ................................... 9 1.3. Постановка задачи исследования ..................................................................... 10

Глава 2. Обзор моделей блокировки прямой видимости ....................................... 12 2.1. Типы моделей блокировки прямой видимости зданиями в городе ................ 13 2.2. Модели блокировки в сценариях из 3GPP и ITU-R .......................................... 16 2.3. Модели блокировки со случайной высотой зданий ......................................... 18

Глава 3. Аналитическая модель вероятности блокировки LoS между БПЛА и базовыми станциями .................................................................................................... 22

3.1. Методы интегральной геометрии ........................................................................ 23 3.2. Алгоритм для расчета зоны видимости LoS ...................................................... 24 3.3. Численные результаты моделирования и их интерпретация ............................ 27

Заключение ..................................................................................................................... 34 Литература ...................................................................................................................... 36 Приложение. Листинг программы ............................................................................. 38

1. Samsung White Paper, 5G Standalone Architecture, Jan.21, URL -

https://images.samsung.com/is/content/samsung/p5/global/business/networks/insi ghts/white-papers/0107_5g-standalone-

architecture/5G_SA_Architecture_Technical_White_Paper_Public.pdf (Дата обращения: 18.03.2022).

2. Begishev V. et al. Closed-Form UAV LoS Blockage Probability in Mixed Ground-and Rooftop-Mounted Urban mmWave NR Deployments //Sensors. – 2022. – Т. 22. – №. 3. – С. 977.

3. Gapeyenko M. et al. Line-of-sight probability for mmwave-based UAV communications in 3D urban grid deployments //IEEE Transactions on Wireless Communications. – 2021. – Т. 20. – №. 10. – С. 6566-6579.

4. Petrov V. et al. On the use of integral geometry for interference modeling and analysis in wireless networks //IEEE Communications Letters. – 2016. – Т. 20. – №. 12. – С. 2530-2533.

5. Popovski P. et al. 5G wireless network slicing for eMBB, URLLC, and mMTC: A

communication-theoretic view //Ieee Access. – 2018. – Т. 6. – С. 55765-55779.

6. Построение моделей и анализ производительности беспродных сетей радиодоступа 5G «Новое Радио»: учебное пособие / Молчанов Д.А.,

Бегишев В.О., Сопин Э.С., Самуйлов А.К., Самуйлов К.Е. – Москва: РУДН,

2021. – 100 с.

7. Ogawa E. and Satoh A., “Propagation path visibility estimation for radio local

distribution systems in built-up areas,” IEEE Transactions on Communications, vol. 34, no. 7, pp. 721–724, July 1986.

8. Feng Q., Tameh E. K., Nix A. R., and McGeehan J., “WLCp2- 06: Modelling the likelihood of line-of-sight for air-to-ground radio propagation in urban environments,” in IEEE Global Communications Conference, November 2006, pp. 1–5.

9. Bai T.,Vaze R., and Heath Jr. R. W., “Analysis of blockage effects on urban cellular networks,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 13, no. 9, pp. 5070–5083, September 2014.

10. Han K., Huang K., and Heath R. W., “Connectivity and blockage effects in millimeter-wave air-to-everything networks,” IEEE Wireless Communications Letters, vol. 8, no. 2, pp. 388–391, April 2019.

11. ITU-R, “Propagation data and prediction methods required for the design of terrestrial broadband radio access systems operating in a frequency range from 3 to 60 GHz,” Rec. ITU-R P.1410, February 2012.

12. 3GPP, “Study on enhanced LTE support for aerial vehicles, (Release 15),” TR

36.777 V15.0.0, January 2018.

13. Сантало Л. А. Интегральная геометрия и геометрические вероятности. –

Наука, 1983.