توصيفگر ها :
سيستم هاي پلتفرم هوايي ارتفاع بالا , همبستگي فضايي , طراحي آنتن , چند ورودي چند خروجي انبوه
چكيده فارسي :
سيستمهاي ارتباطي مبتني بر HAPS به دليل توانايي ارائه پوشش وسيع، تأخير كم، و ظرفيت بالا، نقش مهمي در نسلهاي آينده ارتباطات بيسيم ايفا ميكنند. اين سيستمها بهعنوان جايگزين يا مكملي براي ماهوارهها و شبكههاي زميني، امكان دسترسي به مناطق دورافتاده و بهبود عملكرد شبكه در مناطق پرجمعيت را فراهم ميكنند. اهميت HAPS در توسعه فناوريهايي مانند Massive MIMO و 6G بهوضوح نمايان است و استفاده از آنها ميتواند تحول چشمگيري در ارتباطات بيسيم ايجاد كند. با اين حال، يكي از چالشهاي اساسي در پيادهسازي اين سيستمها، وجود همبستگي فضايي بالا است كه منجر به كاهش درجه آزادي (DoF) در سيستمهاي Massive MIMO HAPS ميشود. اين همبستگي فضايي عمدتاً ناشي از وجود مسير ديد مستقيم (LoS) قوي و محيط پراكندگي كم بين HAPS و كاربران زميني است. بدون حل اين چالش، بهرهبرداري بهينه و مؤثر از اين سيستمها غيرممكن خواهد بود. براي مقابله با اين چالش، در اين رساله راهكارهايي نوآورانه ارائه شده است. يكي از مؤثرترين روشها طراحي معماري آنتن با چينشهاي مناسب و استفاده از آرايههاي پيشرفته نظير آنتنهاي استوانهاي يا تركيب چينشهاي UPA و ULA است كه تفكيك فضايي سيگنالها را بهبود ميبخشد. علاوه بر اين، بهرهگيري از الگوريتمهاي تخصيص منابع مبتني بر مكان كاربران، امكان استفاده بهينه از طيف فضايي را فراهم ميكند. براي كاهش تداخلات و افزايش تفكيك سيگنالها، طراحي بيمهاي فضايي بر اساس پارامترهاي كانال و شرايط محيطي صورت ميگيرد كه ميتواند عملكرد ارتباطات را به طور قابلتوجهي ارتقا دهد. علاوه بر اين، استفاده از روش NOMA در اين سيستمها به عنوان يك راهكار پيشرفته براي افزايش ظرفيت و بهرهوري سيستم پيشنهاد شده است. اين روش، با امكان اشتراكگذاري منابع ميان كاربران و حذف تداخل ميتواند به بهبود كيفيت سرويس و كاهش اثرات همبستگي فضايي كمك كند. همچنين، استفاده از روشهاي خوشهبندي كاربران بر اساس موقعيت فضايي، زمينهساز تخصيص بهينه منابع به خوشههاي كاربران ميشود. در نهايت، اين پژوهش با ارائه يك رويكرد جامع شامل تحليل نظري، شبيهسازي دقيق، و طراحي معماريهاي نوآورانه، نشان ميدهد كه اجراي اين راهكارها نهتنها به كاهش همبستگي فضايي و افزايش درجه آزادي در سيستمهاي Massive MIMO HAPS كمك ميكند، بلكه ظرفيت شبكه، نرخ انتقال داده، و بهرهوري انرژي را نيز بهبود ميبخشد. اين نتايج ميتوانند مسير را براي بهرهبرداري عملي از اين فناوري در نسل آينده ارتباطات بيسيم هموار كنند.
چكيده انگليسي :
Communication systems based on HAPS play a crucial role in future generations of wireless communications
due to their ability to provide wide coverage, low latency, and high capacity. These systems,
serving as alternatives or complements to satellites and terrestrial networks, enable access to remote areas
and enhance network performance in densely populated regions. The importance of HAPS in advancing
technologies such as Massive MIMO and 6G is evident, and their deployment can bring a transformative
impact to wireless communication systems.
However, a fundamental challenge in implementing these systems is the presence of high spatial
correlation, which leads to a reduction in degrees of freedom (DoF) in Massive MIMO HAPS systems.
This spatial correlation primarily arises from the strong line-of-sight (LoS) component and the limited
scattering environment between the HAPS and ground users. Without addressing this challenge, optimal
and efficient utilization of these systems would be unattainable.
To overcome this challenge, this dissertation proposes innovative solutions. One of the most effective
approaches is the design of antenna architectures with appropriate array configurations, such as cylindrical
arrays or a combination of UPA and ULA, to enhance spatial signal separation. In addition, employing
location-aware resource allocation algorithms enables efficient use of the spatial spectrum. To further
mitigate interference and improve signal separation, spatial beam design based on channel parameters
and environmental conditions is conducted, significantly enhancing communication performance.
Furthermore, the adoption of NOMA techniques is proposed as an advanced solution to increase
system capacity and efficiency. By enabling resource sharing among users and managing interference
effectively, NOMA can improve service quality and alleviate the effects of spatial correlation. Moreover,
user clustering based on spatial locations facilitates optimal resource allocation to user clusters.
Ultimately, this research, through a comprehensive approach involving theoretical analysis, detailed
simulations, and the design of innovative architectures, demonstrates that implementing these solutions
not only reduces spatial correlation and increases degrees of freedom in Massive MIMO HAPS systems
but also improves network capacity, data transmission rates, and energy efficiency. These results pave the
way for the practical deployment of this technology in next-generation wireless communications.