Análisis de rendimiento del programador oportunista de enlace ascendente para el Internet de las Cosas asistido por múltiples UAV
Autores: Suo, Long; Zhang, Zhichu; Yang, Lei; Liu, Yunfei
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Análisis de rendimiento del programador oportunista de enlace ascendente para el Internet de las Cosas asistido por múltiples UAV
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Uav
Iot
Transmisión
Programación
Enlace ascendente
Implementación
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Debido a la alta movilidad, flexibilidad y bajo costo, los vehículos aéreos no tripulados (VANT) pueden proporcionar una forma eficiente de aprovisionar servicios de comunicación de datos y descarga de computación para dispositivos masivos de Internet de las Cosas (IoT), especialmente en áreas remotas con infraestructura limitada. Sin embargo, los esquemas de transmisión actuales para el Internet de las Cosas asistido por vehículos aéreos no tripulados (UAV-IoT) emplean predominantemente programación por sondeo, lo que no explota completamente las posibles ganancias de diversidad multiusuario ofrecidas por un gran número de nodos IoT. Además, la programación oportunista convencional (OS) o las técnicas de formación de haces oportunistas están diseñadas predominantemente para escenarios de transmisión de enlace descendente. Cuando se aplican directamente a la transmisión de datos de IoT en enlace ascendente, estos métodos pueden incurrir en un exceso de sobrecarga de entrenamiento en enlace ascendente. Para abordar estos problemas, este documento propone primero un marco de OS de enlace ascendente multi-VANT de bajo costo basado en la reciprocidad del canal. Para evitar la estimación explícita masiva del canal de enlace ascendente, se diseñan dos criterios de programación: interferencia mínima en enlace descendente (MDI) y la máxima relación señal-interferencia más ruido en enlace descendente (MD-SINR). En segundo lugar, para un escenario de despliegue de doble VANT sobre canales de desvanecimiento de bloque de Rayleigh, derivamos expresiones en forma cerrada tanto para la tasa de suma promedio como para la tasa de suma asintótica basada en el criterio MDI. Un análisis de grados de libertad (DoF) demuestra que cuando el número de sensores, K, escala como alfa, el sistema puede lograr un total de 2alpha DoF, donde alpha0,1 es el factor de escalado de usuarios y es la relación señal-ruido transmitida (SNR). En tercer lugar, para un escenario de despliegue de tres VANT, se emplea la distribución Gamma para aproximar la interferencia en enlace ascendente, lo que da lugar a una expresión manejable para la tasa de suma promedio. Las simulaciones confirman la precisión del análisis de rendimiento tanto para despliegues de doble como de tres VANT. El error normalizado entre los resultados teóricos y de simulación se mantiene por debajo del 1% para K > 30. Además, el impacto de la severidad del desvanecimiento en la tasa de suma del sistema y el rendimiento de DoF se evalúa sistemáticamente a través de simulaciones bajo canales de desvanecimiento Nakagami-m. Los resultados indican que un desvanecimiento más severo (un m más pequeño) produce una mayor ganancia de diversidad multiusuario. Tanto los resultados teóricos como los de simulación muestran consistentemente que dentro del régimen de SNR medio a alto, el despliegue de doble VANT supera tanto a los esquemas de un solo VANT como a los de tres VANT en canales de Rayleigh y Nakagami-m. Este estudio proporciona una base teórica para el diseño de despliegue y programación adaptativa de sistemas de enlace ascendente de IoT asistidos por VANT en diversos entornos de desvanecimiento.
Descripción
Debido a la alta movilidad, flexibilidad y bajo costo, los vehículos aéreos no tripulados (VANT) pueden proporcionar una forma eficiente de aprovisionar servicios de comunicación de datos y descarga de computación para dispositivos masivos de Internet de las Cosas (IoT), especialmente en áreas remotas con infraestructura limitada. Sin embargo, los esquemas de transmisión actuales para el Internet de las Cosas asistido por vehículos aéreos no tripulados (UAV-IoT) emplean predominantemente programación por sondeo, lo que no explota completamente las posibles ganancias de diversidad multiusuario ofrecidas por un gran número de nodos IoT. Además, la programación oportunista convencional (OS) o las técnicas de formación de haces oportunistas están diseñadas predominantemente para escenarios de transmisión de enlace descendente. Cuando se aplican directamente a la transmisión de datos de IoT en enlace ascendente, estos métodos pueden incurrir en un exceso de sobrecarga de entrenamiento en enlace ascendente. Para abordar estos problemas, este documento propone primero un marco de OS de enlace ascendente multi-VANT de bajo costo basado en la reciprocidad del canal. Para evitar la estimación explícita masiva del canal de enlace ascendente, se diseñan dos criterios de programación: interferencia mínima en enlace descendente (MDI) y la máxima relación señal-interferencia más ruido en enlace descendente (MD-SINR). En segundo lugar, para un escenario de despliegue de doble VANT sobre canales de desvanecimiento de bloque de Rayleigh, derivamos expresiones en forma cerrada tanto para la tasa de suma promedio como para la tasa de suma asintótica basada en el criterio MDI. Un análisis de grados de libertad (DoF) demuestra que cuando el número de sensores, K, escala como alfa, el sistema puede lograr un total de 2alpha DoF, donde alpha0,1 es el factor de escalado de usuarios y es la relación señal-ruido transmitida (SNR). En tercer lugar, para un escenario de despliegue de tres VANT, se emplea la distribución Gamma para aproximar la interferencia en enlace ascendente, lo que da lugar a una expresión manejable para la tasa de suma promedio. Las simulaciones confirman la precisión del análisis de rendimiento tanto para despliegues de doble como de tres VANT. El error normalizado entre los resultados teóricos y de simulación se mantiene por debajo del 1% para K > 30. Además, el impacto de la severidad del desvanecimiento en la tasa de suma del sistema y el rendimiento de DoF se evalúa sistemáticamente a través de simulaciones bajo canales de desvanecimiento Nakagami-m. Los resultados indican que un desvanecimiento más severo (un m más pequeño) produce una mayor ganancia de diversidad multiusuario. Tanto los resultados teóricos como los de simulación muestran consistentemente que dentro del régimen de SNR medio a alto, el despliegue de doble VANT supera tanto a los esquemas de un solo VANT como a los de tres VANT en canales de Rayleigh y Nakagami-m. Este estudio proporciona una base teórica para el diseño de despliegue y programación adaptativa de sistemas de enlace ascendente de IoT asistidos por VANT en diversos entornos de desvanecimiento.