Cell-Free Satellite-UAV Networks for 6G Wide-Area Internet of Things

计算机科学 资源配置 发射机功率输出 计算机网络 分布式计算 卫星 蜂窝网络 频道(广播) 信道状态信息 实时计算 无线 电信 发射机 工程类 航空航天工程
作者
Chengxiao Liu,Wei Feng,Yunfei Chen,Cheng‐Xiang Wang,Ning Ge
出处
期刊:IEEE Journal on Selected Areas in Communications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:39 (4): 1116-1131 被引量:189
标识
DOI:10.1109/jsac.2020.3018837
摘要

In fifth generation (5G) and beyond Internet of Things (IoT), it becomes increasingly important to serve a massive number of IoT devices outside the coverage of terrestrial cellular networks. Due to their own limitations, unmanned aerial vehicles (UAVs) and satellites need to coordinate with each other in the coverage holes of 5G, leading to a cognitive satellite-UAV network (CSUN). In this paper, we investigate multi-domain resource allocation for CSUNs consisting of a satellite and a swarm of UAVs, so as to improve the efficiency of massive access in wide areas. Particularly, the cell-free on-demand coverage is established to overcome the cost-ineffectiveness of conventional cellular architecture. Opportunistic spectrum sharing is also implemented to cope with the spectrum scarcity problem. To this end, a process-oriented optimization framework is proposed for jointly allocating subchannels, transmit power and hovering times, which considers the whole flight process of UAVs and uses only the slowly-varying large-scale channel state information (CSI). Under the on-board energy constraints of UAVs and interference temperature constraints from UAV swarm to satellite users, we present iterative multi-domain resource allocation algorithms to improve network efficiency with guaranteed user fairness. Simulation results demonstrate the superiority of the proposed algorithms. Moreover, the adaptive cell-free coverage pattern is observed, which implies a promising way to efficiently serve wide-area IoT devices in the upcoming sixth generation (6G) era. \n
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