In this paper, we characterize the performance of a three-dimensional (3D) two-hop cellular network in which terrestrial base stations (BSs) coexist with unmanned aerial vehicles (UAVs) to serve a set of ground user equipment (UE). In particular, UEs connect either directly to BSs by access links or indirectly through UAVs to BSs by joint access and backhaul links, where the BSs provide wireless backhaul to the UAVs. We consider realistic antenna radiation patterns for both BSs and UAVs using practical models developed by the third generation partnership project (3GPP). We assume a probabilistic channel model for the air-to-ground transmission, which incorporates both line-of-sight (LoS) and non-line-of-sight (NLoS) links. Assuming the max-power association policy, we study the performance of the network in both amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) relaying protocols. Using tools from stochastic geometry, we analyze the joint distribution of distance and zenith angle of the closest (and serving) UAV to the origin in a 3D setting. Further, we identify and extensively study key mathematical constructs as the building blocks of characterizing the received signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) distribution. Using these results, we obtain exact mathematical expressions for the coverage probability in both AF and DF relaying protocols. Furthermore, considering the fact that backhaul links could be quite weak because of the downtilted antennas at the BSs, we propose and analyze the addition of a directional uptilted antenna at the BS that is solely used for backhaul purposes. The superiority of having directional antennas with wirelessly backhauled UAVs is further demonstrated via simulation.


翻译:在本文中,我们描述一个三维(3D)双跳蜂窝网络的性能,在这个网络中,地面基地站与无人驾驶飞行器(UAVs)共存,为一组地面用户设备(UE)服务。特别是,UES通过接入链接直接连接到BSS,或通过联合访问和回路链接间接连接UAVs到BS。BSs向UAVs提供无线反向通道。我们利用第三代伙伴关系项目(3GPP)开发的实用模型,为BS和UAVs提供现实的天线性辐射模式。我们假设了最大功率组合政策,我们研究了网络在超前(AF)和解码和前方(DF)的性能模式。我们假设了BS-地面传输系统(UGPPs)的低能性能导路比,我们分析了空基S-地面传输的轨迹比比比比比的概率比比比比,我们利用了最接近的S-AFS的直径和亚直径直径的直径直径分析,因为我们的数学分析了这些直方的流流流流流流流流流流流,我们正向,我们正向的图的图向的直向,我们更接近的数学分析了。

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