Transformando Redes Aéreas com Acesso e Retorno Integrados

Com a necessidade crescente de serviços sem fio, o número de usuários e estações-base tá aumentando rapidinho. À medida que a gente sai de redes mais antigas, tipo 3G, pra redes mais novas, como 5G, a densidade das estações-base cresceu bastante. Esse aumento na demanda tá pressionando as redes de acesso rádio e seus links de backhaul, que são essenciais pra transmitir dados. Usar cabos de fibra óptica pra cada estação-base pequena geralmente não é viável financeiramente. Por isso, as redes 6G que tão chegando precisam de novas soluções sem fio que sejam baratas e que consigam suportar um grande número de usuários.

Um método promissor é chamado de Acesso e Backhaul Integrado (IAB). Essa técnica permite o compartilhamento de recursos entre links de acesso e backhaul, facilitando a criação de redes móveis densas. Ela usa uma estrutura de rede onde várias estações-base pequenas estão conectadas a uma estação-base maior, ajudando a aliviar um pouco da pressão nessas redes.

#Desafios com o Backhaul Tradicional

Os métodos de backhaul sem fio tradicionais enfrentam problemas devido à disponibilidade limitada de espectro. As faixas de frequência de micro-ondas usadas pra esses métodos muitas vezes não oferecem capacidade suficiente pra atender às demandas crescentes. Por outro lado, as faixas de ondas milimétricas (mmWave) oferecem uma opção mais econômica pra transferências de dados de alta velocidade, mas também têm suas limitações, como alta perda de caminho e alcance restrito.

O IAB ajuda a enfrentar esses problemas permitindo que várias conexões compartilhem os mesmos recursos e operem de maneira multi-hop. Embora o potencial do IAB seja bem reconhecido para redes terrestres, sua aplicação em redes aéreas ainda tá sendo estudada.

#Tipos de Abordagens

Quando se fala na integração do IAB com Veículos Aéreos Não Tripulados (UAVs), existem duas abordagens principais.

1. IAB Assistido por UAV: Nesse método, UAVs são usados pra melhorar o desempenho da tecnologia IAB, ajudando principalmente redes terrestres.

2. UAV Assistido por IAB: Esse é um campo menos explorado, focando em como o IAB pode ajudar a melhorar o backhaul pra redes UAV. Esse texto enfatiza essa segunda abordagem.

Nas redes IAB assistidas por UAV, existem estudos sobre como mitigar interferências, a melhor colocação dos UAVs e como gerenciar a energia. Mas a maioria desses estudos ignora as limitações na conectividade aérea devido às antenas com down-tilt das estações terrestres. Esse texto busca preencher essa lacuna explorando como o IAB pode melhorar o desempenho das redes UAV.

#Estrutura Proposta

A estrutura proposta utiliza uma abordagem aérea de múltiplos níveis usando estações-base UAV. O nível inferior tem uma estação-base UAV que cobre usuários terrestres, enquanto o nível superior foca em estabelecer acesso sem fio pra usuários aéreos e fornecer serviços de backhaul pra estação-base do nível inferior.

Os nós IAB são projetados pra compartilhar recursos de espectro de frequência entre usuários aéreos e terrestres, tentando maximizar a taxa de dados entre os dois grupos. O modelo de rede enfatiza uma conexão necessária entre a estação-base aérea e a camada aérea superior, que ajuda a manter comunicação contínua com usuários no chão.

#Arquitetura do Sistema

Nesse arranjo, cada nó IAB tem diferentes componentes que desempenham funções específicas. Um nó IAB pode ter duas partes principais: a Unidade Distribuída (DU) e a Terminação Móvel (MT). A parte MT se conecta à rede, enquanto a DU fornece funções necessárias pros usuários ou outros nós.

O processo de conectar um nó IAB à rede é semelhante a adicionar uma nova estação-base terrestre. Envolve três etapas principais:

1. Inicialização e Sincronização: O nó IAB se conecta ao seu doador designado escaneando a faixa de frequência e estabelecendo comunicação.
2. Configuração do Link de Backhaul: Um link de backhaul é configurado pra permitir o fluxo de dados entre o novo nó e o doador.
3. Configuração: Por fim, a DU do novo nó IAB é configurada, permitindo que comece a fornecer serviços aos usuários.

#Modelo de Rede Aérea

O modelo de rede aérea assistida pelo IAB é projetado pra cenários onde redes terrestres tradicionais podem falhar, como durante desastres naturais. A camada superior de nós aéreos garante que a conectividade de backhaul seja mantida pra atender tanto usuários aéreos quanto terrestres.

Em situações normais, os nós aéreos compartilham a mesma frequência e Largura de banda que os usuários terrestres. O foco principal da estrutura é maximizar a taxa de soma entre esses dois grupos distintos de usuários, levando em consideração as restrições impostas pelo backhaul aéreo.

O modelo inclui múltiplos links aéreos e atribui canais específicos a diferentes tipos de usuários, sejam eles no chão ou no ar. Cada estação-base aérea é equipada com arrays de antenas que dividem seus elementos pra fins de backhaul e link de acesso.

#Abordando Largura de Banda e Ruído Térmico

A alocação de largura de banda é essencial pra garantir uma comunicação eficiente. À medida que a largura de banda aumenta, também aumenta a capacidade de transferir dados. No entanto, o ruído térmico-um ruído elétrico indesejado que aumenta com a largura de banda-pode impactar o desempenho.

Esse texto explora como a largura de banda afeta o ruído térmico e o desempenho da rede, buscando um equilíbrio que maximize a Transmissão de Dados enquanto minimiza os efeitos do ruído.

#Problema de Otimização

O objetivo da estrutura proposta é maximizar a taxa de transmissão de dados geral tanto para usuários aéreos quanto terrestres. O estudo formula um problema em torno da otimização de como a frequência e os recursos são alocados, considerando as limitações operacionais dos links de backhaul.

Pra isso, a pesquisa decompõe o problema principal em tarefas menores pra lidar com beamforming e alocação de espectro de forma mais eficaz. Essa separação não só simplifica as questões em jogo, mas também permite uma solução mais focada pra cada componente.

A otimização envolve o desenho de matrizes de beamforming híbridas que podem mitigar interferências enquanto maximizam a taxa de soma da rede. O objetivo final é encontrar soluções eficientes que possam funcionar sob as restrições dadas enquanto melhoram o desempenho geral da rede.

#Análise Numérica

Vários cenários foram testados através de simulações numéricas. Os resultados indicam tendências claras de como as redes UAV assistidas por IAB se desempenham em comparação com configurações não-IAB tradicionais.

Ao comparar os dois arranjos, é evidente que o design IAB supera significativamente os modelos não-IAB. A habilidade de alocar largura de banda dinamicamente e compartilhar recursos permite que o modelo IAB lide com picos de tráfego de forma mais eficaz do que os modelos onde os recursos são fixos.

#Avaliação de Desempenho

O desempenho das redes assistidas por IAB é analisado em termos de sua capacidade de lidar com dados, eficiência energética e como elas reduzem interferências de forma eficaz. Além disso, a eficiência energética tanto para usuários aéreos quanto terrestres é examinada pra garantir uso ótimo dos recursos.

À medida que mais antenas transmissoras são implantadas, tanto a capacidade de dados quanto a eficiência melhoram. Estudos mostram que a rede IAB pode utilizar suas antenas de forma mais eficaz, levando a um desempenho geral melhor.

#Conclusão

A estrutura proposta de IAB assistido por UAV visa melhorar a forma como redes aéreas lidam com desafios de backhaul e acesso. Ao aproveitar beamforming híbrido e otimizar largura de banda entre usuários aéreos e terrestres, a rede pode aumentar substancialmente seu desempenho.

Trabalhos futuros vão explorar ainda mais como essa estrutura pode ser integrada a redes não-terrestres em cenários do mundo real, considerando a mobilidade dos usuários e as condições variáveis dos canais. Os achados destacam o potencial da estrutura pra atender de forma eficaz às demandas das futuras redes sem fio, abrindo caminho pra uma conectividade aprimorada.