Migliorare l'accesso a Internet con droni e HAPS

In futuro, vogliamo assicurarci che tutti possano connettersi a internet, ovunque si trovino. Questo è particolarmente importante nelle zone remote dove potrebbe essere difficile costruire torri cellulari normali. I Droni, o veicoli aerei senza pilota (UAV), possono aiutare facendo da torri cellulari volanti. Sono davvero utili in posti colpiti da disastri dove i metodi di comunicazione tradizionali potrebbero essere scomparsi. Tuttavia, ci sono limiti su quanti droni possono essere utilizzati, il che può lasciare alcune persone senza accesso.

Per affrontare questo problema, possiamo usare piattaforme ad alta quota dotate di tecnologia intelligente per aiutare gli UAV a fornire Copertura. Queste piattaforme ad alta quota, chiamate HAPs, possono collaborare con stazioni di terra per aiutare a connettere gli utenti in un'ampia area. Possiamo migliorare questo sistema aggiungendo quella che viene chiamata superficie intelligente riconfigurabile (RIS). Questa tecnologia riflettente aiuta a migliorare i segnali inviati dai droni agli utenti sottostanti.

#Sfide con gli UAV

Una grande sfida nell'uso dei droni come torri cellulari è che non possiamo usarne troppi tutti insieme. Possono essere costosi e difficili da gestire, soprattutto se vogliamo coprire un'ampia area. Per questo, dobbiamo trovare modi per sfruttare al meglio i pochi droni che possiamo far volare.

In una situazione in cui ci sono pochi droni disponibili, alcuni utenti potrebbero non ricevere alcuna copertura. Un modo per risolvere questo è utilizzare le piattaforme ad alta quota come aiuto extra. Gli HAPS possono fungere da fonti di energia o relay per i segnali che vanno dai droni agli utenti, soprattutto in aree dove non si possono costruire torri cellulari.

#Usare HAPS e RIS Insieme

La combinazione di HAPS e RIS può aiutare a migliorare la copertura che otteniamo con gli UAV. Gli HAPS forniscono una grande area per far funzionare il RIS, rendendoli una scelta fantastica. Invece di fare affidamento solo su altri droni, che possono costare molto, possiamo usare questa tecnologia per far funzionare meglio il nostro attuale setup UAV.

Gli HAPS possono coprire un'area più ampia e inviare segnali potenti, assicurando che gli utenti rimangano connessi anche a lunghe distanze. In aree dove alcuni utenti non possono connettersi alle stazioni di terra tradizionali, gli HAPS dotati di RIS possono intervenire per aiutare fornendo la connessione necessaria.

#Il Sistema Proposto

Nel nostro sistema, abbiamo due zone: una dove gli utenti sono serviti da HAPS-RIS e l'altra da droni. L'obiettivo è trovare il miglior confine tra queste due aree in modo da massimizzare il numero di utenti che possono connettersi tramite HAPS-RIS, garantendo al contempo una velocità dati sufficiente.

Il primo passo è definire quanti utenti possono essere serviti dagli HAPS-RIS. Questa parte del problema è vista come il problema del leader. Qui ci concentriamo su come creare una zona che copre il maggior numero di utenti con requisiti di velocità adeguati.

Dopo aver risolto il primo problema, ci concentriamo sui droni. La seconda parte del problema, chiamata problema del follower, si occupa di come ridurre il numero di droni necessari garantendo che gli utenti nella zona drone ricevano comunque una connessione veloce.

#Comprendere il Sistema

Il setup consiste in utenti distribuiti in un'area circolare senza torri cellulari vicine. I droni agiscono come stazioni base volanti, mentre una stazione di controllo a terra aiuta a gestire le loro operazioni. Ci sono anche elementi RIS nel sistema che riflettono i segnali per dare agli utenti un accesso migliore alla rete.

Gli utenti possono connettersi tramite HAPS-RIS o tramite il setup UAV, ma non possono connettersi attraverso entrambi contemporaneamente. Questo crea due zone separate nell'area. Nella zona interna, gli utenti sono coperti da droni, mentre nella zona esterna, gli utenti fanno affidamento sugli HAPS-RIS.

Le velocità di comunicazione che gli utenti ricevono dipendono dal setup e dalla distanza dalle diverse stazioni. Usiamo diversi fattori per aiutare a calcolare la qualità della connessione e assicurarci che ogni utente possa ricevere un segnale stabile.

#Obiettivo dell'Ottimizzazione

Il nostro obiettivo principale è trovare il giusto equilibrio tra massimizzare il numero di utenti coperti da HAPS-RIS e minimizzare il numero di droni necessari per la copertura. La prima parte dell'ottimizzazione cerca di scoprire fin dove può estendersi la zona HAPS-RIS mantenendo comunque velocità sufficienti per gli utenti.

Una volta comprese le frontiere, possiamo lavorare per minimizzare il numero di droni richiesti per gli utenti rimanenti. Per raggiungere questo, possiamo usare diversi metodi per analizzare e adattare i percorsi dei segnali per assicurarci che gli utenti rimangano connessi.

#Risultati della Simulazione

Abbiamo eseguito simulazioni per capire come il nostro setup si comporterebbe in diverse situazioni. Gli utenti erano distribuiti casualmente in un'area circolare e abbiamo testato vari scenari. Attraverso questi test, possiamo vedere quanti utenti HAPS-RIS possono coprire.

Man mano che aumentavamo il numero di elementi RIS, abbiamo trovato che più utenti potevano connettersi. I risultati hanno mostrato che a requisiti di velocità dati più bassi, come 64 kbps, potevamo ottenere quasi una copertura totale con il giusto numero di elementi RIS. Per tassi di dati più alti, abbiamo dovuto avere più elementi per mantenere la copertura.

La connessione è anche migliorata man mano che aumentavamo la potenza di trasmissione dalla stazione di controllo a terra. Questo significa che garantire segnali forti dalla terra può fare una grande differenza nel numero di utenti che possono connettersi con successo.

Inoltre, mentre lavoravamo con i requisiti minimi di velocità dati, abbiamo notato che requisiti di velocità dati più elevati richiedevano più elementi RIS. Questo mostra che dobbiamo pianificare attentamente quando impostiamo il nostro sistema per assicurarci di ottenere la copertura necessaria senza dipendere troppo dalla tecnologia costosa dei droni.

#Conclusione

Questa nuova architettura di rete offre un modo per far funzionare meglio le reti wireless assistite da UAV incorporando HAPS-RIS. La sfida principale era il numero limitato di droni disponibili, il che può lasciare alcuni utenti senza servizio. Il nostro approccio combina HAPS e RIS per ottimizzare la copertura e minimizzare il numero di droni necessari.

Capendo come definire i confini delle zone e impostare i percorsi di comunicazione, possiamo migliorare la connettività per gli utenti nelle zone remote. Questo lavoro apre nuove opportunità per migliorare le reti wireless e serve come base per futuri progressi nei sistemi di comunicazione. L'integrazione di HAPS e RIS offre una soluzione praticabile per fornire accesso affidabile alla rete dove i metodi tradizionali potrebbero risultare insufficienti.