A Novel Energy-aware Design for a D2D Underlaid UAV-Aided Cognitive Radio Network

Resumen Técnico: Un nuevo diseño consciente de la energía para una red de radio cognitiva asistida por UAV con subyacencia D2D

Planteamiento del problema
El artículo aborda los desafíos críticos de establecer comunicaciones fiables y eficientes desde el punto de vista energético en Redes de Respuesta ante Desastres (DRN, por sus siglas en inglés) donde la infraestructura terrestre no está disponible. En tales escenarios, los Vehículos Aéreos No Tripulados (UAV) actúan como estaciones base (BS) voladoras para dar soporte a usuarios de comunicación dispositivo a dispositivo (D2D) y usuarios celulares. Sin embargo, los usuarios D2D en estas redes enfrentan severas restricciones de energía, lo que limita su potencia de transmisión y, en consecuencia, sus tasas de comunicación y eficiencia energética (EE). Además, la coexistencia de usuarios celulares de enlace ascendente y usuarios D2D en un espectro compartido introduce problemas de interferencia que degradan aún más el rendimiento de la red. El artículo investiga cómo optimizar el rendimiento de la red comparando dos escenarios distintos: una "DRN libre" estándar sin recolección de energía y una "DRN habilitada para EH" donde los usuarios D2D recolectan energía de los usuarios celulares utilizando técnicas de Radio Cognitiva (CR) y Recolección de Energía (EH).

Metodología
Los autores proponen un marco de sistema donde un UAV sirve como BS para usuarios celulares de enlace ascendente (usuarios primarios) y pares D2D (usuarios secundarios) operando en una configuración de subyacencia (underlaid). El estudio compara dos escenarios:

1. Free-DRN: Los transmisores D2D operan con recursos de energía limitados y fijos.
2. EH-enabled DRN: Los transmisores D2D utilizan una arquitectura de Recolección de Energía por División de Potencia (PSEH) para recolectar energía de los usuarios celulares de enlace ascendente. Se emplea un modelo de recolección de energía no lineal para calcular la potencia recolectada.

El modelo de comunicación incorpora:

• Canales Suelo-Suelo (G2G): Modelos de desvanecimiento Rayleigh para enlaces D2D y enlaces de transferencia de energía de celular a D2D.
• Canales Suelo-Aire (G2A): Modelos que consideran las probabilidades de Línea de Visión (LoS) y No Línea de Visión (NLoS) basadas en la altitud del UAV y los ángulos de elevación.
• Gestión de Interferencias: El análisis tiene en cuenta la interferencia mutua entre pares D2D, entre usuarios celulares y receptores D2D, y de transmisores D2D al UAV.

Los autores derivan formulaciones matemáticas para la Relación Señal a Interferencia más Ruido (SINR), las tasas de datos tanto para los usuarios de enlace ascendente como para los D2D, y la Eficiencia Energética (EE) global de la red. Estos modelos teóricos se validan mediante simulaciones que varían parámetros clave, incluyendo la densidad de usuarios (tanto celulares como D2D), la altitud del UAV, la potencia de transmisión celular y la duración de la recolección de energía.

Contribuciones Clave
El artículo presenta las siguientes contribuciones específicas:

• Eficiencia Energética Mejorada: Demuestra que permitir que los enlaces D2D recolecten energía de los usuarios celulares mejora significativamente la EE de la red y las tasas de comunicación en comparación con un escenario sin recolección de energía.
• Despliegue Óptimo de UAV: El estudio identifica una altitud óptima para el UAV que equilibra la cobertura de la red y la gestión de interferencias, específicamente adaptada a las densidades variables de dispositivos D2D.
• Análisis de Compromiso de Rendimiento: Los autores analizan los compromisos entre la densidad de usuarios, la duración de la recolección de energía y el rendimiento de la red, revelando cómo estos factores influyen en la EE general.
• Integración Novedosa: El artículo afirma ser el primero en implementar técnicas de Transferencia de Información y Potencia Inalámbrica Simultánea (SWIPT) específicamente entre usuarios celulares y usuarios D2D dentro de un contexto de red de radio cognitiva asistida por UAV, distinto de trabajos previos centrados en la transferencia de energía de UAV a tierra.

Resultados de la Simulación
Los resultados numéricos y de simulación resaltan varios hallazgos clave:

• Superioridad de la DRN habilitada para EH: El escenario habilitado para EH supera consistentemente al escenario de Free-DRN. Específicamente, reducir la duración de la recolección de energía y disminuir la densidad de usuarios celulares puede mejorar la EE de la red hasta en 3 dB.
• Impacto de la Densidad de Usuarios: El aumento de la densidad de usuarios D2D generalmente incrementa la interferencia, lo que puede reducir la tasa de comunicación del enlace ascendente. Sin embargo, en el escenario habilitado para EH, la capacidad de recolectar energía permite a los usuarios D2D mantener potencias de transmisión más altas, mitigando algunos efectos negativos. Por el contrario, aumentar la densidad de usuarios celulares consume más energía, impactando negativamente la EE.
• Optimización de la Altitud del UAV: Los resultados de la simulación indican que a medida que aumenta la densidad de usuarios D2D, el UAV debe operar a altitudes más bajas para mantener umbrales específicos de EE. La altura óptima resulta ser una función de la densidad de usuarios.
• Tiempo de Recolección y Distancia: Se encontró que reducir el tiempo que los usuarios celulares pasan transmitiendo energía para la recolección y aumentar la distancia entre los usuarios celulares y los transmisores D2D (lo que reduce la potencia recolectada) mejoran la EE general. Por ejemplo, reducir a la mitad el tiempo de recolección de energía en el segundo escenario resultó en la duplicación de la EE total de la DRN.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que su principal significancia radica en demostrar la viabilidad del uso de la recolección de energía de los usuarios celulares coexistentes para superar las limitaciones energéticas de los dispositivos D2D en escenarios de desastre. Al integrar CR, UAV y EH, la propuesta de DRN habilitada para EH ofrece una solución de comunicación más sostenible y eficiente. Los autores afirman que su enfoque permite a los usuarios D2D transmitir datos a mayores distancias y alcanzar mayores tasas de datos, mejorando así la confiabilidad general y la eficiencia energética de las comunicaciones de respuesta ante desastres. El trabajo proporciona orientación práctica para el despliegue de UAV, específicamente con respecto a la selección de la altitud y la gestión de los parámetros de recolección de energía, para optimizar el rendimiento de la red en situaciones dinámicas y críticas.