Améliorer l'accès à Internet avec des drones et des HAPS

Dans le futur, on veut s’assurer que tout le monde puisse se connecter à Internet, peu importe où ils se trouvent. C'est super important dans les zones reculées où c'est difficile de construire des antennes classiques. Les Drones, ou véhicules aériens sans pilote (UAV), peuvent aider en agissant comme des antennes volantes. Ils sont particulièrement utiles dans les endroits touchés par des catastrophes où les méthodes de communication traditionnelles peuvent être absentes. Cependant, il y a des limites au nombre de drones qu'on peut utiliser, ce qui peut laisser certains sans accès.

Pour gérer ce problème, on peut utiliser des plateformes à haute altitude équipées de technologies intelligentes pour aider les UAV à fournir une Couverture. Ces plateformes à haute altitude, appelées HAPs, peuvent collaborer avec des stations au sol pour connecter les utilisateurs sur une grande zone. On peut améliorer ce système en ajoutant ce qu'on appelle une surface intelligente reconfigurable (RIS). Cette technologie réfléchissante aide à améliorer les signaux envoyés par les drones vers les utilisateurs en dessous.

#Défis avec les UAV

Un grand défi avec l'utilisation des drones comme antennes, c'est qu'on ne peut pas en utiliser trop en même temps. Ils peuvent coûter cher et être difficiles à gérer, surtout si on veut couvrir une grande zone. Du coup, on doit trouver des moyens d’optimiser le peu de drones qu’on peut déployer.

Dans une situation où il n’y a pas beaucoup de drones disponibles, certains utilisateurs peuvent ne pas avoir de couverture du tout. Une façon de régler ça, c’est d’utiliser les plateformes à haute altitude comme aide supplémentaire. Les HAPS peuvent servir de sources d’alimentation ou de relais pour les signaux allant des drones aux utilisateurs, surtout dans les zones où on ne peut pas construire d'antennes.

#Utilisation conjointe de HAPS et RIS

La combinaison de HAPS et RIS peut aider à améliorer la couverture fournie par les UAV. Les HAPS couvrent une grande zone pour que les RIS puissent fonctionner, ce qui en fait un super choix. Au lieu de compter uniquement sur d'autres drones, qui peuvent coûter cher, on peut utiliser cette technologie pour rendre notre installation actuelle de drones plus efficace.

Les HAPS peuvent couvrir une zone plus large et envoyer des signaux forts, s'assurant que les utilisateurs restent connectés même à de longues distances. Dans les zones où certains utilisateurs ne peuvent pas se connecter aux stations au sol, les HAPS équipés de RIS peuvent intervenir pour fournir la connexion nécessaire.

#Le système proposé

Dans notre système, on a deux zones : une où les utilisateurs sont desservis par HAPS-RIS et une autre où ils sont desservis par des drones. L'objectif est de trouver la meilleure frontière entre ces deux zones pour maximiser le nombre d'utilisateurs pouvant se connecter via HAPS-RIS tout en s'assurant qu'ils aient une vitesse de données suffisante.

La première étape consiste à définir combien d'utilisateurs peuvent être servis par le HAPS-RIS. Cette partie du problème est vue comme le problème leader. Ici, on se concentre sur comment créer une zone qui couvre le plus d'utilisateurs avec des exigences de vitesse suffisantes.

Après avoir résolu le premier problème, on se concentre sur les drones. La deuxième partie du problème, appelée problème suiveur, examine comment réduire le nombre de drones nécessaires tout en garantissant que les utilisateurs dans la zone de drones reçoivent toujours une connexion assez rapide.

#Comprendre le système

La configuration consiste en des utilisateurs répartis dans une zone circulaire sans antennes à proximité. Les drones fonctionnent comme des stations de base volantes, tandis qu'une station de contrôle au sol aide à gérer leurs opérations. Il y a aussi des éléments RIS dans le système qui reflètent les signaux pour donner aux utilisateurs un meilleur accès au réseau.

Les utilisateurs peuvent se connecter soit via le HAPS-RIS, soit via la configuration UAV, mais ils ne peuvent pas se connecter aux deux en même temps. Ça crée deux zones séparées dans l área. Dans la zone intérieure, les utilisateurs sont couverts par les drones, tandis que dans la zone extérieure, les utilisateurs dépendent du HAPS-RIS.

Les taux de communication que les utilisateurs reçoivent dépendent de la configuration et de la distance aux différentes stations. On utilise plusieurs facteurs pour aider à calculer la qualité de la connexion et s'assurer que chaque utilisateur peut obtenir un signal stable.

#Objectif de l'optimisation

Notre objectif principal est de trouver le bon équilibre entre maximiser le nombre d'utilisateurs couverts par HAPS-RIS et minimiser le nombre de drones nécessaires pour la couverture. La première partie de l'optimisation cherche à déterminer jusqu'où la zone HAPS-RIS peut s'étendre tout en fournissant des taux suffisants aux utilisateurs.

Une fois qu'on a compris les limites, on peut travailler à minimiser le nombre de drones requis pour les utilisateurs restants. Pour ce faire, on peut utiliser différentes méthodes pour analyser et adapter les chemins de signal afin de garantir que les utilisateurs restent connectés.

#Résultats de la simulation

On a réalisé des simulations pour comprendre comment notre installation fonctionnerait dans différentes situations. Les utilisateurs étaient répartis aléatoirement dans une zone circulaire et on a testé plusieurs scénarios. Grâce à ces tests, on peut voir combien d'utilisateurs le HAPS-RIS peut couvrir.

En augmentant le nombre d'éléments RIS, on a constaté que plus d'utilisateurs pouvaient se connecter. Les résultats ont montré qu’à des exigences de taux de données plus faibles, comme 64 kbps, on pouvait atteindre presque une couverture totale avec le bon nombre d'éléments RIS. Pour des taux de données plus élevés, on avait besoin de plus d'éléments pour maintenir la couverture.

La connexion s'est également améliorée en augmentant la puissance d'émission de la station de contrôle au sol. Ça veut dire que s'assurer de signaux forts depuis le sol peut faire une grosse différence dans le nombre d'utilisateurs qui peuvent se connecter avec succès.

De plus, en travaillant avec les exigences de taux de données minimum, on a remarqué que des taux de données plus élevés nécessitaient plus d'éléments RIS. Ça montre qu'on doit planifier soigneusement lors de la mise en place de notre système pour garantir qu'on atteigne la couverture nécessaire sans trop dépendre de la technologie coûteuse des drones.

#Conclusion

Cette nouvelle architecture réseau offre un moyen d'améliorer les réseaux sans fil assistés par UAV en intégrant HAPS-RIS. Le principal défi était le nombre limité de drones disponibles, ce qui peut laisser certains utilisateurs sans service. Notre approche combine les HAPS et les RIS pour optimiser la couverture et minimiser le nombre de drones nécessaires.

En comprenant comment définir les frontières des zones et mettre en place les chemins de communication, on peut améliorer la connectivité pour les utilisateurs dans les zones reculées. Ce travail ouvre de nouvelles opportunités pour améliorer les réseaux sans fil et sert de base pour de futures avancées dans les systèmes de communication. L'intégration de HAPS et RIS offre une solution pratique pour fournir un accès réseau fiable là où les méthodes traditionnelles peuvent être insuffisantes.